НПАОП 10.0-5.26-88 Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам

Толчок проявляется в разрушении пласта угля (породы) в глубине массива без выброса в горную выработку и сопровож­дается звуком, сотрясением массива, образованием пыли, а на газоносных пластах — газовыделением.

Стреляные — явление отскакивания кусков угля (породы) от массива, сопровождающееся резким звуком.

Горно-тектонический удар — мгновенное разрушение породы (угля) в глубине массива, проявляющееся в виде толчка, вызы­вающего хрупкое разрушение краевой части массива в форме горного удара.Горно-тектонический удар сопровождается силь­ным сотрясением массива, резким звуком, образованием пыли и воздушной волной.

Угрожаемый пласт — пласт, обладающий высокими упругими свойствами и склонностью к хрупкому разрушению в условиях повышенных концентраций напряжений. Угрожаемые каменно­угольные и антрацитовые пласты, как правило, залегают в боко­вых породах (песчаниках), прочностью более 80 МПа, склонных к зависанию в очистных забоях на больших площадях. Мощные буроугольные пласты могут быть угрожаемыми по ударам при наличии слабых боковых пород.

Опасный пласт — пласт, имеющий все признаки угрожаемо­го пласта, на котором в пределах данного этажа (яруса) шахт­ного поля происходили горные удары (микроудары) или были выявлены участки с I и II категориями удароопасности

Целик — участок опасного или угрожаемого пласта, оконту­ренный отдельными выработками, отработанным пространством или геологическим нарушением не менее чем с двух сторон, а наи­меньший его размер в плоскости напластования не превышает величину зоны опорного давления I.

Оценка склонности пласта к горным ударам — предваритель­ное, как правило на стадии геологоразведочных работ, прогно­зирование возможности возникновения горных ударов на данном шахтном поле в процессе ведения горных работ на основе анали­за показателей: глубины залегания, механических свойств, мощ­ности и тектонической нарушенности пласта и боковых пород.

Региональный прогноз — выявление значительных по площа­ди очагов повышенной напряженности отдельного шахтного поля или одновременно нескольких шахтных полей в пределах всего месторождения. Региональный прогноз осуществляется непре­рывно с помощью сеисмостанции, предназначенных для этой цели.

Локальный прогноз степени удароопасности (прогноз степе­ни удароопасности участка пласта)—определение на конкрет­ном участке (забой, целик, выработка) относительной величины повышенной напряженности в зоне опорного давления и расстоя­ния до этой зоны.

По степени опасности локальные участки делятся на три ка­тегории:

I — участок повышенной опасности; II — участок опасный; III — участок не опасный.

Зона опорного давления I — краевая часть пласта вокруг выработки (очистной, подготовительной), в пределах которой уровень напряжений выше, чем в нетронутом массиве (см. рис. 4).

Критическая глубина — минимальная глубина от земной по­верхности, в пределах которой ведение горных работ на данном шахтопласте сопровождалось проявлением горных ударов, вне­запных выбросов или явлений комбинированного типа.

 

Защитная зона n — разгруженная от напряжений краевая часть угольного пласта в результате применения локальных противоударных мероприятий, обеспечивающая изменение механических свойств угля и безопасное ведение горных работ (см рис. 2)

Локальная выемка защитного пласта — первоочередная от­работка ограниченного участка угольного пласта с целью созда­ния безопасных условий ведения горных работ на отдельных участках смежных удароопасных пластов.

Защитный пласт—угольный пласт (слой породы), отработка которого обеспечивает безопасность работ в отношении горных ударов на защищаемом пласте либо создает частичную разгруз­ку, облегчающую применение других способов борьбы с горными ударами на защищаемом пласте.

Зона разгрузки — часть области влияния очистной выработ­ки защитного пласта, в пределах которой напряжения, действую­щие перпендикулярно напластованию, меньше соответствующих напряжений в нетронутом массиве,

Защищенная зона — часть зоны разгрузки, в пределах кото­рой не происходит динамических явлений и не отмечается других вредных последствий горного давления при разработке удароопасного защищаемого пласта

Угол защиты δi, — угол между боковой границей защищенной зоны и плоскостью очистной выработки защитного пласта.

Угол давления φi, — угол, под которым нарастает нормальное давление на почве очистной выработки защитного пласта.

Критическая мощность m0 — значение мощности защитного пласта, начиная с которой дальнейшее ее уменьшение приводит к увеличению углов давления и соответственно к уменьшению размеров защищенной зоны.

Зона повышенного горного давления (зона ПГД) — часть угольного массива и боковых пород, испытывающая повышен­ные напряжения, передаваемые краевыми частями, отдельными оставленными целиками или другими концентраторами, распо­ложенными на смежном пласте (пластах).

2. Определение основных геологических и горно-технических факторов

Удароопасность пластов определяют следующие геологиче­ские факторы:

значительная глубина залегания;

высокая прочность боковых пород, мощность основной кровли;

склонность краевой части угольного пласта к упругому де­формированию и хрупкому разрушению, зависящая от прочностных и фазово-физических свойств угля;

отсутствие в непосредственной кровле и почве на контактах с пластом слабых пластических слоев пород;

тектоника месторождения и характер нарушенности угольных пластов

В результате предварительной разведки месторождения (шахт­ного поля), выполняемой геологоразведочными организациями Министерства геологии СССР, дается начальный прогноз об удароопасности пластов. На стадиях детальной и эксплуатационной разведок, а также на действующих шахтах геологические дан­ные уточняются по методикам 2—4 данного приложения

На начальной стадии пласт считается склонным к горным ударам, если-

выход керна составляет 85—100%,

уголь крепкий (коэффициент крепости f =1), представлен­ный более чем на 80% матовыми и полуматовыми петрографи­ческими разностями. Пласты, склонные к горным ударам, отли­чаются однородностью, монолитностью и, как правило, не содер­жат слабых пачек.

Влияние основных геологических факторов на удароопасность каменноугольных и антрацитовых пластов оценивают по комп­лексному критерию Р = Р1 -Р2- РЗ (табл 1.1).

Т а б л и ц а 1.1

Каменноугольные и антрацитовые пласты относятся к угро­жаемым по горным ударам при Р≥З

При Р =3 минимальная глубина залегания пласта составля­ет 150 м, прочность образцов пород основной кровли на одноос­ное сжатие 80 МПа, мощность монолитного слоя основной кров­ли 8 м

В процессе ведения горных работ признаками удароопасности пластов являются голчки, стреляния и микроудары в очист­ных и подготовительных забоях при работе выемочных машин, отбойных молотков, бурении и взрывании шпуров.

3. Определение склонности угольных пластов к горным ударам

Для условий Кузбасса установлена зависимость между коэф­фициентом удароопасности К угля и его прочностью (рис. 11).

Коэффициент удароопасности находят из соотношения

К=εУ/εПּ100

где εУ — упругая относительная деформация краевой части п гас га угля при искусственно создаваемой с помощью давильной установки нагрузке, составляющей 75—80% от разрушающей, εП — полная относительная деформация

При К≥70% уголь пласта считают удароопасным Зная прочность угля, по графику (см рис 1 3) определяют значение К, по которому судят об удароопасности пласта

Угольные пласты, состоящие из нескольких слоев разного петрографического типа, условно представляют в виде двух па чек- слабой и крепкой В слабую пачку включают слои, прочность которых меньше или равна 0,6 по шкале проф М. М. Прогодьяконова, а в крепкую — с прочностью более 0,6 Прочность угля каждого петрографического слоя на разных стадиях метаморфизма

(по А. В. Травину, В. П. Шорину, Т А. Юсупову) находят по гра­фикам (рис. 1.2)

Прочность угля каждой пачки определяют как средневзве­шенную по мощности слоев. Прочность угольного пласта в целом f рассчитывают по формуле:

f = fКР \ (1 + (fКР \ fСЛ -1)m \ mСЛ)

где и fКР и fСЛ — прочность пачек соответственно крепкого и слабого угля; т—мощность пласта; mCМ — мощность пачки со слабым углем.

При определении коэффициента удароопасности по графику (см. рис. 1) прочность принимают σ = 100f.

Коэффициент удароопасности пласта, сложенного разнопрочными пачками угля, может быть определен непосредственно по формуле:

КП = ККР / (1+ (ККР / КСЛ - 1) mСЛ / m

где ККР и Ксл — коэффициенты удароопасности соответственно крепкой и слабой пачек пласта.

Для определения склонности угольных пластов к горным уда­рам рекомендуется использовать показатель интенсивности раз­рушения КИ в виде отношения запредельной работы упругой де­формации к допредельной. Для этой цели в шахтных условиях на крупногабаритных образцах размером не менее 40 X 40 X 80 см с помощью гидродомкратов получают полные диаграммы проч­ности угольного массива (рис. 1.3) Из точки перегиба А на диа­грамме проводят прямую АД, параллельную участку упругого деформирования ОЕ, и опускают перпендикуляр АС.

Рис. 1.3. Схема определения коэффициента ин­тенсивности разрушения угольного пласта:

σ— напряжения, ε- деформации

Из точки С проводят прямую СВ, параллельную ОЕ до пере сечения с кривой диаграммы в точке В. Отношение площадей А2:А1 = КИ является показателем склонности пласта к горным ударам.Если КИ = 1, то угольный пласт склонен к пластическому еформированию, при КИ = 0 происходит идеально хрупкое раз­рушение.Пласт является склонным к горным ударам при КИ =0,9.

4 Выявление пластов, склонных к горным ударам

и одновременно склонных к ударам и выбросам,

на основании информации о фазово-физических свойствах угля

Оценка и прогноз механического и газодинамического состоя­ния угольных пластов осуществляется на основе анализа горно-геологических условий, определения макро- и микропористой структуры угля и степени его водонасыщения. Для этого опреде­ляются три параметра фазово-физического состояния (ФФС) пластов-максимальная гигроскопичность угля и WМГ, характеризующая «сорбционный» поровый объем по отношению к жидкой фазе, включая переходные поры (коллектор влаги и газа);

структурный показатель GМГ, отражающий долевое участие в общей пористости «сорбционного» порового обьема (чем меньше показатель Gмг, тем более крупнопористой является струк­тура угля);

естественная влажность We (или степень водонасыщения (Ge) при сравнении с Wмг и Gмг характеризует напряженность и газо­носность пласта.

Определение этих параметров осуществляется в лабораторных условиях по кинетике сорбции парообразной влаги углем из об­разцов, отбираемых в разведочных скважинах или горных вы­работках

Закономерности изменения параметров ФФС пластов (иWмг, Gш, Gе) определяются степенью их метаморфизма, газоносностью, газовым давлением и напряженным состоянием. Возрастание газоносности и газового давления приводит к снижению отно­шения Wе/WМГ и- показателя Gмг, связанного степенной зависимостью с прочностными и упругими характеристиками угля. При небольших нагрузках (до 10—15 МПа) уровень We будет выше Wм,, с ростом нагрузок — Wе < Wмг Если в пласте есть газ, то при газовом давлении, большем 0,6—0,7 МПа влажность Wе также будет ниже WМГ.

Горные удары и внезапные выбросы угля и газа проявляют­ся только при конкретных значениях и соотношениях парамет­ров ФФС

Зная эти параметры, можно выявлять склонность угольных пластов к горным ударам или внезапным выбросам угля и газа и разрабатывать мероприятия для конкретных геологических и горно-технических условий.

4 1.При выборе участков бурения необходимо предусматри­вать возможность проведения работ в горных выработках, находящихся на максимальной глубине от поверхности в нетро­нутом угольном массиве и в зонах ПГД.

Участки должны располагаться в зонах влияния крупных дизъюнктивных или пликативных нарушений и вне этих зон на расстоянии не менее 10 амплитуд дизъюнктива.

Ширина зоны влияния нарушения ZВ на степень удароопас-ности пласта зависит от амплитуды дизъюнктива Н и составляет в каждом крыле ZВ = (2—3) Н при H> 10 м; ZВ = 5H при H< 10 м, но не менее мощности пласта.

Для каждого участка должно быть проведено три цикла опре­деления через 10—20 м подвигания подготовительного или очист­ного забоя; в целиках угля не менее 6 контрольных скважин че­рез 5—10 м по длине выработки. Всего для одного шахтопласта бурят не менее 18 контрольных скважин и отбирают 9 бороздовых проб (для пласта простого строения).

При оценке склонности пластов или их участков к выбросо-или удароопасности основные принципы выбора мест определе­ния аналогичны

В пластах простого строения парные-контрольные скважины бурят через 1 —1,5 м друг от друга по мощности пласта при m> 2 м, либо в его средней части при m≤2 м.

Образцы угля размером не менее 10—30 мм отбирают по бо­розде через равные интервалы по мощности пласта общей мас­сой не менее 1 кг.

В пластах сложного строения, вначале по одному участку в трех циклах апробации проводят бурение контрольных скважин и отбор образцов во всех угольных пачках мощностью не менее 0,2 м. Эти работы проводят в забоях подготовительных вырабо­ток вне зоны влияния горных работ по обследуемому пласту или по другим пластам в свите, расположенным в 100 м в почве или кровле. Бурение контрольных скважин и отбор бороздовых проб угля осуществляют в наиболее представительных пачках пласта. С точки зрения выбросоопасности — в наиболее нарушенных слабых пачках мощностью не менее 0,2 м, а удароопасности — в наиболее представительных по мощности однородных крепких пачках, составляющих 70% и более по мощности пласта.

Пробы угля для определения естественной влажности наби­рают при поинтервальном бурении контрольных скважин глуби­ной до З√m, в целиках угля — до 4√m Общее количество проб из каждой скважины должно быть не менее 4—5.

4.2. Методика отбора бороздовых проб угля, их предвари­тельная подготовка в ОТК. шахты и порядок проведения лабо­раторных анализов подробно изложены в «Методических ука­заниях по прогнозированию динамических явлений на угольных пластах по их фазово-физическим свойствам» {Л., 1981)

4.3. При оценке ударо- и выбросоопасности угольных плас­тов в пределах бассейна, месторождения, отдельных его участков или геологических блоков, наряду с определением параметров

 

фазово-физического состояния пластов (особенно для буроугольных и низкометаморфизованных каменноугольных пластов), не­обходима информация о марочном составе угля и геологиче­ской характеристике месторождения: сейсмичности, региональ­ном и контактовом метаморфизме, тектонической нарушенности. Роль вмещающих пород определяют по настоящим рекомен­дациям (см. п 2, прил. 1). При геологических изысканиях на стадии предварительной и детальной разведки вместо естест­венной влажности пластов при сильной нарушенности угля ис­пользуют сведения о его газоносности (в том числе остаточ­ной).

На буроугольных пластах проявление удароопасности наблю­дается, как правило, в сейсмически активных районах и в зонах современных тектонических движений земной коры с высокой контрастностью, преимущественно в зонах влияния крупных раз­рывных и складчатых нарушений. Буроугольные пласты, склон­ные к горным ударам и другим динамическим формам разруше­ния, при иWе и Wмг> 4% имеют степень водонасыщения Gе<0,85. Методика определения Gе рассмотрена в прил. 6. Выбросоопасность на таких пластах, за исключением зон контактового мета­морфизма, не проявляется.

Аналогичная тенденция имеет место и на низкометаморфи­зованных каменноугольных пластах (марки угля Г и Д) при Wмг>4%, .Wе<WМГ, Gмг>0,5.

На антрацитовых и каменноугольных пластах средней и вы­сокой стадий метаморфизма (марки угля Г, Ж, К, ОС, Т при Wмг<4%) возможны проявления горных ударов и внезапных выбросов угля и газа.

Критерии отнесения каменноугольных пластов (марки угля Г, Ж, К, ОС, Т) к ударо- или выбросоопасным при Wмг<4% следующие.

Пласты, склонные к горным ударам:

Гмг>0,5, Wе≤Wмг (или Gе≤Gмг).

В опасных зонах Gмг→0,7—0,8 (или 0,35); Wе ≤ WМГ, WМГ ≤ 3%

Пласты, склонные к внезапным выбросам угля и газа: GМГ<0,5; Wе<Wмг.

Как правило Ge=0,35.

В опасных зонах WМГ = 1,5—3%; Gмг≤0,35, Ge≤0,25.

Для неударо- и невыбросоопасных пластов и их участков в зависимости от степени метаморфизма, конкретных горно-гео­логических и горно-технических ситуаций возможны различные сочетания параметров ФФС между собой.

Для антрацитовых пластов значения WМГ не ограничивают­ся, а предельные значения параметров, дифференцирующих плас­ты по склонности к внезапным выбросам угля и газа и горным ударам, следующие: Gмг≈ 0,7—0,8, Gе ≈ 0,35. В выбросоопасных зонах: Gмг≤0,35; Gе≤0,25.

В зонах влияния крупных тектонических структур для газо­носных каменноугольных пластов средней и высокой стадий ме­таморфизма выделяют 2 типа пластов для которых характерно снижение их выбросоопасности с возможным проявлением раз­нообразных динамических и газодинамических явлений (Iтип преимущественно стреляния и микроудары,WМГ<1,5%,Wе≤WМГ,IIтип обрушения с небольшим газовыделением,W≥1,5%,Gмг≤0,35,Wе≥Wмг, в опасных зонахWе≤Wмг)

При установлении ударо- и выбросоопасности этих пластов дополнительно привлекают методы ВНИМИ, МакНИИ или ВостНИИ, основанные на определении выхода буровой мелочи и скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров

На пластах, склонных к горным ударам, при переходе от ме­нее к более нагруженным участкам, например, от забоев подго­товительных (капитальных) выработок, проходимых в нетронутом массиве вне влияния очистных работ, к зонам ПГД преобладает увеличение Gмг и снижение Wе ниже уровня Wмг

На выбросоопасных пластах естественная влажность уже впереди забоя подготовительной (капитальной) выработки, про­ходимой в нетронутом массиве вне влияния очистных работ, существенно ниже WМГ, а Ge≤0,3—0,35, что свидетельствует о высокой газоносности угля

Если пласт на 70% и более по мощности представлен углем по ФФС, отвечающим условиям удароопасности, при соответст­вующих горно-геологических условиях (см п 2 прил I) его относят к угрожаемому или опасному по горным ударам

Наличие в 1аком пласте хотя бы одной пачки мощностью более 0,2 м по своим ФФС, отвечающим условию выбросоопасности, дает основание относить его к пластам, склонным к горным уда рам и внезапным выбросам угля и газа *

5 Прогноз удароопасности пород

На угольных месюрождепимх прогнозу удароопасности под­лежат в первую очередь породы с пределом прочности на одно осное сжатие более 80 МПа, залегающие на глубине более 500 м

Порода является склонной к горным ударам, если имеется один из следующих признаков

в породе присутствует кварц,

керновое бурение скважин со скоростью не более 50 мм/мин сопровождается делением керна на выпукло-вогнутые диски тол­щиной менее 1/3 диаметра,

соотношение предела прочности породы на сжатие к пределу прочности на растяжение превышает 25

* Вопрос об отнесении пластов к выбросоопасным должен быть согласован с МакНИИ или ВостНИИ и горнотехнической инспекцией

Прогнозирование по минералогическому составу, дискованию керна и соотношению пределов прочности на сжатие и растяже­ние рекомендуется осуществлять на стадиях геологоразведки и строительства шахт

С целью уточнения результатов предварительного прогнозирования по керну при развитии горных работ на шахтах рекомендуется метод прогноза удароопасности пород непосредственно в выработках, основанный на оценке хрупкости краевой части породного массива вдавливанием жестких штампов Оценка хрупкости производится с помощью гидравлических скважинных приборов БП—18