Применение сборного железобетона для крепления горных выработок всесторонне рассматривалось в отечественной литературе еще 30-х годов, но главным образом освещался зарубежный опыт. В Донбассе промышленное использование этого материала для крепления началось во второй половине 40-х годов.
Первыми испытывались и широко применялись в бассейне железобетонные цилиндрические трубы с равномерно распределенной рабочей арматурой по периметру. Их изготовляли центрифугированием по способу проф. В. В. Михайлова. Испытания цилиндрических труб в качестве звеньев крепи горных выработок начались в 1945 г., после возведения первого завода железобетонной шахтной крепи - Куйбышевского. Испытания продолжались несколько лет. Проверялась возможность применения центрифугированных труб в качестве стоек трапециевидной жесткой крепи с металлическим или деревянным верхняком для выработок с установившимся горным давлением. В результате стойки улучшенной конструкции, без приставного оголовья и башмака, были рекомендованы к промышленному внедрению. После этого в Донбассе было построено еще 4 завода ЖБШК.
В работах, выполненных ДонУГИ в 1948-1954 гг., определены технико-экономические показатели использования стоек для крепления горных выработок с установившимся давлением. При этом отмечается, что эффективность применения железобетонных трубчатых стоек в крепи с деревянным верхняком в сравнении с металлическим ниже примерно на 40%.
Применение анкерной крепи является новым направлением в деле поддержания горных выработок. В Донбассе анкерная крепь впервые испытывалась МакНИИ в 1947-1948 гг. Но работа не была завершена, и в 1956-1958 гг. ДонУГИ и ЛГИ провели повторные испытания анкерной крепи в нескольких шахтах Донбасса. Ввиду того, что на основную часть подготовительных выработок оказывают активное влияние очистные работы, анкерная крепь испытывалась вместе с обычной подпорной. При этом экономия составляла около 5 руб. на один пог. м выработки, расход металла снижался на 30-35% и железобетонных трубчатых стоек - на 40-50%.
В основных угледобывающих странах Европы и в Советском Союзе металл, благодаря своей прочности и пластичности при всех видах нагрузки, является наилучшим крепежным материалом. Известно применение в горных выработках различных профилей проката.
Широкое использование металлической крепи в Донбассе началось лишь после второй мировой войны. Некоторое время для крепления в основном применяли железнодорожные рельсы, бывшие в работе, и обычные двутавровые профили (с нормальными полками). Из этих профилей проката изготовляли арочную, кольцевую и трапециевидную крепь жесткой конструкции, шарнирно-арочную ограниченно податливую крепь с деревянными прогонами. Такой крепью в 1948 г. закреплено 9665 пог. м выработок, в 1949 - 57 270 и в 1950 - 162 170 пог. м.
Чтобы обеспечить устойчивость шарнирно-арочной крепи, обычно одновременно устанавливали три арки, соединенные между собой прогонами. Но с другой стороны, это увеличивало трудоемкость крепления выработок и требовало создания большего участка обнаженных пород, чем при установке одиночных рам (арок).
Двутавровые профили в крепи из-за небольшого сопротивления подвергались в горных выработках сложному изгибу и кручению под действием внецентренных и косонаправленных нагрузок. Поэтому их применение давало худшие результаты, чем других профилей.
Совершенно не оправдалось использование металла в крепях жесткой конструкции. Шарнирно-арочная крепь, имеющая ограниченную податливость и деревянные звенья, оказалась малоэффективной по сравнению с деревянной. Применение их вместо двух парных профилей (18 и 28 кг/м) дает возможность снизить расход металла при изготовлении крепи в среднем еще на 7%. В 1967 г. металлургическими заводами Украины освоено массовое изготовление еще двух профилей (14 и 19 кг/м) из параметрического ряда.
При восстановлении разрушенных немецкими оккупантами шахт Донецкого угольного бассейна схемы вскрытия пластов и подготовки шахтных полей не изменялись. Подготовка очистного фонда работ осуществлялась по сплошной системе разработки. Это обеспечило сокращение сроков восстановления шахт. В первое послевоенное пятилетие (к 1950 г.) применение сплошной системы разработок в добыче угля из очистных забоев в Донбассе достигло 98,3% против 93,6% в 1940 г. Доминирующим был способ подготовки выемочного участка по схеме «лава-этаж».
Протяженность поддерживаемых горных выработок на 1000 т добычи достигала 20 км, а трудоемкость работ по их ремонту - до 100 человек на 1000 т добычи угля. Выдача породы на поверхность от ремонта этих выработок перегружала подземный транспорт и подъем, резко снижая их пропускную способность по выдаче угля. Это сдерживало продвигание очистных забоев, нагрузка которых составляла в среднем по бассейну всего лишь 123 т угля в сутки. Увеличение объема добычи угля при столь низкой нагрузке на очистной забой приводило к росту их числа и деконцентрации горных работ.
В это же время на шахтах им. Кирова, им. Горького, № 142, № 25-бис, № 23-бис и № 3 треста «Несветайантрацит» перешли от сплошной к комбинированной системе парных штреков.
В 1953 г. была принята в эксплуатацию шахта «Родинская» № 1 треста «Красноармейскуголь» комбината «Донецкуголь» с панельной подготовкой, столбовой системой разработки и полной конвейеризацией транспорта. Разработка ярусов бремсбергового поля в панели велась снизу вверх с использованием ранее пройденного вентиляционного штрека в качестве откаточного.
Из материалов, приведенных в данной главе, следует, что в Донбассе испытывалось и применялось много новых видов крепи, но из них в настоящее время в основном используется лишь металлическая арочная из спецпрофиля и трапециевидная, состоящая из железобетонных трубчатых стоек и металлического шарнирно-подвесного верхняка.
По мере увеличения с 1949 г. применения податливой крепи из желобчатых профилей снижалось использование металлической крепи из двутавровых балок и рельсов, примерно с 1952 г. изготовление последней прекращается. В 1955-1956 гг. лишь в поддерживаемых выработках, в основном на шахтах Центрального района Донбасса, сохраняется шарнирно-арочная крепь.
После непродолжительного применения были полностью сняты с производства железобетонные сборные крепи из плит УРП, бетонитовая арочная МакНИИ и некоторые другие конструкции.
Еще перед второй мировой войной в Советском Союзе исследовалась возможность производства пробужденных бетонов из горелых пород шахтных отвалов, котельных и доменных шлаков, например, для строительных бетонитов. Применение пробужденных бетонов приводит к значительному снижению расхода вяжущих (в частности, цемента), предусматриваемых в размере 10-15% лишь в качестве активизаторов. Поэтому особо актуальным было использование пробужденных бетонов в период восстановления Донбасса в связи с дефицитом цемента в стране. Практически с первых дней восстановления Донбасса на территории многих трестов начинается строительство небольших заводов по производству бетонитов из горелых пород, котельных и доменных шлаков. Постепенно заводы освоили изготовление крепежных бетонитов прочностью 140-150 кг/см2, которую возможно было довести до 200 кг/см2.
До 1941 г. горные выработки на шахтах Донбасса крепили главным образом трапециевидной крепью, используя для этого в основном древесину. Исключение обычно составляли капитальные выработки в пределах околоствольного двора, где применяли бетонную, каменную, бетонитовую и железобетонную крепь, форма которой зависела от сечения выработок и устойчивости вмещающих пород.
Из-за ограниченной податливости деревянной трапециевидной крепи откаточные и вентиляционные штреки в зоне влияния очистных работ в первый год их службы приходилось несколько раз перекреплять. Перекреплялись в зоне влияния очистных работ и наклонные выработки с деревянной крепью.
Относительно недолго служит обычная деревянная крепь и в выработках с установившимся горным давлением, что связано с ускоренным гниением лесоматериалов в рудничной атмосфере (1-2 года - на исходящей и 3-4 - на свежей струе воздуха).
Вследствие указанных недостатков деревянной крепи и значительного распространения сплошной системы разработки подготовительные выработки в довоенном Донбассе полностью перекрепляли менее чем за два года. При этом 40% выработок систематически находилось в неудовлетворительном состоянии, на ремонтных работах было занято около 29 тыс. рабочих, или 6,8 человека на один километр всех поддерживаемых выработок.