ОСНОВНІ НАУКОВІ І ПРАКТИЧНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ВІДДІЛУ

З перших днів свого створення відділ заявив про себе як провідний підрозділ у вивченні фізичних закономірностей поведінки гірських порід і їх масивів до межі міцності, в граничному та позамежному станах; в розробці нових технологій кріплення та охорони гірничих виробок; в розробці способів і засобів механічного і геофізичного контролю властивостей та діагностування геомеханічного стану складно-структурного масиву гірських порід;. У відділі розроблено та обґрунтовано теоретичні основи управління гірським тиском в капітальних, підготовчих і очисних виробках глибоких шахт шляхом активного використання несучої здатності, спрямованої зміни властивостей і виду напруженого стану порушених порід поблизу виробок. Отримано результати, які докорінно змінили уявлення про механізми газодинамічних явищ у вугільних шахтах. Створено та впроваджено систему моніторингу геомеханічного стану підземних споруд.

Зокрема, співробітниками відділу вперше у світовій гірничий науці отримані наступні результати.

В сфері механіки гірських порід:

• вивчено механізми та отримано закономірності руйнування гранично-напружених порід;
• розроблено новий геомеханічний критерій стійкості масивів гірських порід;
• розроблено науково-технічні принципи, методи та обладнання локального впливу на приконтурні породи в тому числі малоенергоємними діями;
• розроблено і впроваджено нові, більш ефективні, методи розрахунку навантаження на кріплення, що враховують глибину виробок, кут падіння пластів і фізико-механічні властивості порід;
• встановлено взаємозв'язок між несучою здатністю ціликів і комплексом структурних, міцнісних і деформаційних властивостей гірських порід, умовами їх навантаження і руйнування;
• показано, що геомеханічні процеси, які супроводжують перехід з одного квазістаціонарного рівноважного стану масиву в інше, носять хвильовий згасаючий характер;
• встановлено особливості геомеханіки масиву нестійких порід при високих швидкостях посування фронту очисних робіт, визначено раціональні параметри підтримки і охорони дільничних виробок при їх повторному використанні при швидкостях посування лав вище 5 м/добу.

В сфері кріплення та охорони гірничих виробок:

• розроблено та реалізовано на практиці технологію опорно-анкерного кріплення підготовчих і капітальних гірничих виробок із застосуванням періодично додатково посилених ділянок, що дозволило досягти стійкого стану виробок в складних гірничо-геологічних умовах;
• розроблено і впроваджено низку типів аркового кріплення, що враховують синергетику масиву, зокрема процеси склепоутворення, тому мають більш високі силові характеристики;
• розроблено і впроваджено технологію охорони дільничних виробок вугільних шахт литими твердіючими смугами;
• розроблено альбом типових конструкцій, який регламентує вибір схем встановлення анкерного кріплення для типових гірничо-геологічних і технологічних умов проведення виробок;
• розроблено та впроваджено рекомендації до схем розташування анкерного кріплення капітальних і підготовчих виробок для понад 700 виробок 52 шахт України, і отримано суттєвий економічний ефект за рахунок скорочення витрат на підтримку і ремонт виробок;
• розроблено Технічні умови на комплект сталеполімерних анкерів нового технічного рівня;
• розроблено і впроваджено більш ефективну технологію і обладнання для тампонажу закріпного масиву і зведення  набризк-бетонного кріплення.

В сфері контролю і технічного діагностування геомеханічного стану підземних споруд:

• розроблено і впроваджено на підприємствах нерудної промисловості низку технологій і засобів контролю геомеханічного стану ціликів і покрівлі гірничих виробок великого перерізу;
• розроблено теоретичні основи використання ультразвукового, електро- і магнітометричного, механоелектричних, віброакустичного та інших методів неруйнівного контролю для оцінки геомеханічного стану масиву гірських порід та кріплення виробок;
• встановлено закономірності зміни швидкостей, коефіцієнтів загасання пружних хвиль та інших інформативних параметрів методів гірничої геофізики від напруженого стану для широкого класу гірських порід з врахуванням його кластерно-ієрархічної структури і синергетичних процесів, що відбуваються в ньому, а також зміни їх у часі і просторі;
• вивчено прояви механоелектричних ефектів в умовах нерівнокомпонентного об'ємного стиснення, встановлено експериментально та підтверджено теоретичними розрахунками закономірності, що пов'язують характеристики механоелектричних ефектів з параметрами напружено-деформованого стану;
• розроблено, запущено в серійне виробництво або випущено разовими партіями лабораторну і шахтну апаратуру для ультразвукових, електро- і магнітометричних, механоелектричних, віброакустичних, радіохвильових, радіометричних та інших геофізичних досліджень характеристик порід, геомеханічного стану масиву гірських порід та технічного стану підземних споруд різного призначення;
• створено та впроваджено систему високоефективного геомеханічного моніторингу підземних геотехнічних систем шахт і рудників.

В сфері аеротермодинаміки підземних підприємств:

• розроблено наукові основи і методи раціонального управління мікрокліматом, а також технологічні і технічні засоби нормалізації теплових умов в глибоких шахтах;
• розроблено теорію і методи автоматизованого проектування і ефективної експлуатації адаптивних систем кондиціювання повітря газоносних вугільних шахт;
• розроблено теорію і методи оптимального оперативного управління системами вентиляції шахт, на базі яких створено і впроваджено систему автоматичного контролю вентиляції шахт і рудників;
• розроблено наукові основи адаптивних систем комп'ютерної технології проектування, перспективного планування і управління провітрюванням шахт і рудників;
• визначено раціональні шляхи створення роботизованих безлюдних технологій кріплення і управління прохідницьким комплексом в підготовчих виробках вугільних шахт;
• розроблений і набув масового впровадження практично на всіх шахтах України комплект приладів, який складається з анемометра АПР-2 і мікроманометра МДР-6, що суттєво покращило якість і точність повітряно-депресійних зйомок на гірничих підприємствах.

Ілюстративний матеріал основних розробок відділу

За останні 20 років відділ був одним з основних виконавців 3-х масштабних інноваційних науково-технічних проектів, спрямованих на суттєве підвищення продуктивності та безпеки роботи гірничодобувної галузі:

• роботи «Розробка та впровадження на вугільних шахтах України технології опорно-анкерного кріплення підготовчих і капітальних гірничих виробок», яка забезпечила  підвищення в 1,4-2,0 рази темпів та в 1,5-3,0 рази зменшити витрати на прокладання виробок. Станом на кінець 2023 року роботу впроваджено на 52 вугільних шахтах України, що дозволило отримати економічний ефект біля 12 млрд грн (тут і далі ціни приведено до рівня 2015 р.);
• роботи «Науково-технологічні основи, розробка та впровадження високоефективного геомеханічного моніторингу підземних геотехнічних систем шахт та рудників», яка дозволила суттєво підвищити безпеку праці та навантаження на очисні забої і була впроваджена у 5-ти відомствах на 14-ти підприємствах вугільної, рудної та нерудної галузі із сумарним економічним ефектом станом на кінець 2008 року ‑ 1,8 млрд грн (обсяги постійно збільшуються, оскільки впровадження триває по цей      час);
• роботи «Розробка та впровадження нових ресурсозберігаючих способів кріплення та охоронних конструкцій капітальних виробок на основі геомеханіки системи «кріплення – породний масив», впровадженою на 12-ти шахтах Західного та Центрального районів Донбасу з економічним ефектом станом на кінець 2005 року ‑ 270 млн грн (обсяги постійно збільшуються, оскільки впровадження триває по цей час).

Окрім того, за вказаний період впроваджені десятки інших розробок відділу, зокрема:

•  обота «Розробка наукових основ надійного управління станом експлуатаційної безпеки шахтних підйомних комплексів на основі сучасних засобів і технологій комп'ютерної експрес-діагностики стану діючого устаткування», що забезпечило підвищення швидкості підйому, збільшення обсягу видачі на поверхню корисних копалин, зниження витрат на ліквідацію аварій при одночасному підвищенні безпеки роботи підйомних установок і скороченні виробничого травматизму при експлуатації стовбурів. Станом на кінець 2023 року обстежено понад 180 відділень у 40 стволах на 17 рудниках України. Загальний економічний ефект за рахунок підвищення швидкості підйому, отриманий від впровадження технології, склав понад 400,0 мільйонів гривень.
• моніторинг фізико-механічних характеристик шахт Західного та Східного районів Донбасу, Криворізького басейну та геологорозвідувальних організацій НАК «Надра України» з економефектом понад 40 млн грн;
• діагностика стану кріплення стовбурів та інших виробок шахт залізорудних комбінатів з економефектом понад 9 млн грн;
• методика розрахунку параметрів систем розробки та контролю стійкості виробок гіпсових родовищ з економефектом близько 6 млн грн;
• технологія відновлення та підвищення стійкості заглиблених споруд на основі створення геокомпозитних конструкцій у ШУ «Покровське» з економефектом понад 3 млн грн.

 Результати роботи відділу відзначено трьома Державними преміями України в галузі науки і техніки, преміями НАН України імені видатних вчених та преміями Президента України і Президії НАН України для молодих вчених. Зокрема, за результатами роботи співробітники відділу отримали наступні відзнаки:

• у 1996 р. за роботу "Наукове обґрунтування, розробка і впровадження ресурсозберігаючих методів та технологія керування властивостями і станом наднапруженого вуглепородного масиву малоенергетичними діями" В.В. Виноградову разом з колегами присуджена Державна премія України в галузі науки і техніки;
• у 2002 році була присуджена Державна премія України в галузі науки і техніки за роботу «Розробка і впровадження нових ресурсозберігаючих засобів кріплення та охоронних конструкцій капітальних виробок на підставі геомеха-ніки системи «кріплення-породний масив», що забезпечують ефективну екс-плуатацію шахт України». У числі авторів роботи премію отримав д.т.н., проф. Б.М. Усаченко. В рамках даної роботи було науково обґрунтовано застосування, розроблені і масштабно впроваджені на підприємствах вугільної галузі кріплення нового технічного рівня (економічний ефект склав понад 90 млн. грн.);
• у 2008 р. була присуджена Державна премія України в галузі науки і тех-ніки за роботу «Науково-технологічні основи, розробка та впровадження висо-коефективного геомеханічного моніторингу підземних геотехнічних систем шахт і рудників». У числі авторів роботи премію отримали доктори технічних наук С.І. Скіпочка, А.О. Яланський, Т.А. Паламарчук. В рамках роботи розроблено теорію і методологію геомеханічного моніторингу геотехнічних систем; обґрунтовано наукові принципи побудови діагностичних моделей геотехнічних систем і геомеханічних процесів; обґрунтовано технічні вимоги до приладових засобів і методології діагностування геотехнічних систем; розроблено науково-технічні основи розслідування і попередження аварій на вугільних шахтах; розроблено гірничотехнічні принципи застосування елементів підземного геомеханічного моніторингу у вугільних, рудних і нерудних шахтах і здійснено їх впровадження у виробництво з економічним ефектом 664 млн. грн;
• у 1992 р. за цикл робіт з геомеханіки і управління вивільненням енергії масиву гірських порід при розробці копалин А.Ф. Булату, В.В. Виноградову і А.М. Зоріну була присуджена премія НАН України ім. акад. А.М. Динника;
• у 1999 р. за цикл робіт «Геомеханічні основи управління станом масиву гірських порід при розробці потужних пластів і повторному використанні відп-рацьованих підземних просторів» премія НАН України ім. академіка А.М. Динника присуджена С.Б. Вакарчуку, В.Г. Перепелиці і Б.М. Усаченку;
• у 2005 р. О.П. Круковському присуджена премія Президента України для молодих вчених за роботу «Теоретичні основи систем високонадійного і ресурсозбережного кріплення гірничих виробок в умовах шахт України»;
• у 1992 р. за роботи з розробки методів кінематичного аналізу шахтних маніпуляційних систем Л.Г. Адорській присуджена премія Президії НАН України для молодих вчених;
• у 2012 р. молодим фахівцям відділу А.О. Буркову і С.О. Лещинскому присуджена Премія Президії НАН України для молодих вчених за роботу «Удосконалення елементів анкерного кріплення гірничих виробок вугільних шахт».

Співробітниками відділу зроблено 4 наукових відкриття, що зареєстровані Міжнародними академією і асоціацією авторів наукових відкриттів і винаходів:

• відкриття №188 (1998 р.) «Явище утворення порушених зон, що переміщуються, в напружених гірських породах» (автори Б.М. Усаченко та інші);
• відкриття №275 (2002 р.) «Властивість порід вугільних формацій в процесі свого руйнування проявляти додаткову десорбцію пов'язаних молекул метану» (автори С.І. Скіпочка, Б.М. Усаченко та інші);
• відкриття №318 (2006 р.) «Закономірність самоорганізації ґрунтів і по-родних масивів навколо протяжних підземних виробок» (автори Т.А. Паламарчук, В.М. Сергієнко, В.Б. Усаченко, А.О. Яланський та інші);
• відкриття №411 (2010 р.) «Явище зниження дебіту метану в очисну виробку з продуктивного вуглепородного масиву при інтенсивній відробці пологих вугільних пластів» (автори С.І. Скіпочка, В.В. Круковська та інші).

Результати наукової діяльності відділу, як одного із законодавців в області методології фізико-механічних випробувань гірських порід, знайшли відображення в 5-ти ГОСТах з методів фізичних випробувань гірських порід (ГОСТи 21153.2-84, 21153.3-85, 21153.5- 88, 21153.8-88, 28985-91).

Орім того, підготовлено та впроваджено десятки галузевих нормативно-технічних документів і науково-практичних посібників, що регламентують порядок, склад відбору і випробувань гірських порід при геологорозвідувальних роботах, механічних випробувань для проектування і розрахунку кріплення виробок, типові паспорти, інструкції з підтримки виробок і розрахунку кріплень різного типу, порядок провітрювання та кондиціювання виробок, керівництва по контролю і діагностиці стану виробок, виявленню структурних неоднорідностей в масиві, системному моніторингу підземних і наземних геотехнічних систем промислового і цивільного призначення тощо. Зокрема:

• Методичні вказівки щодо складу механічних випробувань гірських порід для проектування та розрахунку кріплення капітальних виробок (1979);
• Методичні вказівки з розробки посібників для експрес-визначення властивостей міцності вуглевмісних порід по керну геологорозвідувальних свердловин. КД (1983);
• Методичні рекомендації щодо інженерно-геологічного вивчення глибоких горизонтів родовищ твердих корисних копалин під час розвідки ( 1985);
• Методика підвищення ефективності потужних турбокомпресорних агрегатів систем кондиціювання повітря в шахтах (1986);
• Методичне і програмне забезпечення фрагментів «Вентиляція» і «Кондиціювання» підсистеми ВДК системи САПР-вугілля (1986);
• Тимчасові методичні вказівки щодо визначення пружних властивостей гірських порід ультразвуковим методом на необроблених зразках керна геологорозвідувальних свердловин. КД (1987);
• Посібник з експрес-визначення міцнісних властивостей вуглевміщувальних порід Донбасу за їх геологічними характеристиками та акустичними вимірами кернів геологорозвідувальних свердловин. КД (1988);
• Методичний посібник з виявлення приповерхневих порожнин геофізичними методами на гірничих підприємствах (1988);
• Посібник з підтримки гірничих виробок на шахтах Західного Донбасу (1992);
• КД 12.01.01.501 «Система забезпечення надійного і безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням. Загальні технічні вимоги» (1999);
• КД 12.01.01.502 «Система забезпечення надійного і безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням. Порядок та організація» (1999);
• Посібник з геофізичної діагностики стану системи "кріплення - породний масив" вертикальних стволів. Додаток до КД 12.18.073-88 (1999);
• Методичний посібник з комплексної діагностики породного масиву та підземних геотехнічних систем (2004);
• ГР 3-032-2004. Діагностика стану систем “кріплення – масив” та “підйомна посудина – жорстке армування” шахтних стовбурів. Порядок та методика виконання (2004);
• Тимчасовий технологічний регламент з охорони підготовчих виробок вугільних шахт литими смугами із матеріалів, що твердіють (2004);
• СОУ 10.1.05411357.011:2007. Система забезпечення надійного і безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням. Правила виконання робіт;
• СОУ 10.1.05411357.010:2008. Система забезпечення надійного і безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням. Загальні технічні вимоги;
• Технологічний регламент підтримки повторно використовуваних штреків комбінованими охоронними конструкціями (2009);
• Методичні рекомендації щодо геофізичного контролю та діагностики геомеханічного стану підземних геотехнічних систем вугільних шахт (2009);
• Технологічний регламент діагностики та відновлення заглиблених та підземних споруд поверхневого комплексу шахт на основі технології створення геокомпозитних конструкцій (2011);
• Методичні рекомендації щодо експрес-визначення пружних та міцнісних властивостей необроблених зразків гірських порід та елементів геокомпозитних конструкцій методами неруйнівного контролю (2011);
• Технологічний регламент з охорони виїмкових штреків високонавантажених лав комбінованими охоронними конструкціями в газонасичених вуглепородних масивах (2011);
• СОУ 10.1.05411357.010:2014. Система забезпечення надійного і безпечного функціонування гірничих виробок із анкерним кріпленням. Загальні технічні вимоги;
• СОУ 10.1.05411357.012:2014. Інструкція з проектування комбінованого ра-мно-анкерного кріплення гірничих виробок;
• Тимчасовий технологічний регламент з геомеханічного моніторингу системи «масив – виробки – кріплення і охоронні конструкції» для підприємств з цільовим та супутнім видобутком уранових руд (2021);
• Інструкція з забезпечення стійкості дільничних виробок для повторного використання на вугільних шахтах (2022).

За результатами патентно-винахідницької роботи співробітників відділу на способи і засоби кріплення та охорони гірничих виробок, способи і засоби контролю і діагностування стану масиву гірських порід та елементів конструкцій, а також інші розробки отримано біля 200 авторських свідоцтв на винаходи, 14 з яких впроваджено у виробництво, і більше 110 патентів України, а саме:

• на способи і конструкції анкерного та анкерного стяжного (натяжного) кріплення (№№ 7091, 63203, 65678, 65823, 70236, 70239, 73203, 79459, 80353, 80760, 81959, 84638, 86110, 88675, 89125, 98831, 100666, 105224, 106114, 107070, 107071, 111059, 114570, 118554, 124356, 138900, 152878);
• на способи боротьби з випинанням ґрунту гірничих виробок (№№ 94731, 94762, 96311, 96742, 97445, 98407, 98480, 99606 100829, 136627, 142959);
• на способи зведення литої смуги (№№ 102444, 103765, 105317, 105353, 105379, 108600, 108706, 109672, 112579, 112729, 114117 116697  118439, 135692);
• на стенди і способи для випробування анкерів та їх контролю (№№ 117494, 117528, 122418);
• на замки податливості для кріплення із спецпрофілю (№№ 121318, 122297, 123404, 124543, 124618, 125591, 125946, 127826, 129321, 131984, 132891, 132307, 133128, 133576, 135303, 135352, 136746, 137505, 140259, 143303, 143264);
• на сигналізатори для контролю стану покрівлі гірничих виробок та розкриття тріщин (№№ 147435, 147963, 148355, 149168, 149476, 149957, 152233, 152248, 152254, 153027, 155045);
• на способи аеродинамічного контролю та газовиділення (№№ 102288, 108532, 124361, 132643, 140023, 143836, 146370, 154664, 154665, 1705752);
• підйомні установки (№№ 77996, 119562, 119563);
• набризк-бетонне кріплення (№№ 1472696, 1566034, 1613626, 1789711).