НПАОП 10.0-5.09-87Инструкция по прогнозу и предупреждению внезапных прорывов мета-на из почвы горных выработок

Министерство угольной промышленности Украинской СCP

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАКЕЕВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ

В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

МаКНИИ

ИНСТРУКЦИЯ

по прогнозу и предупреждению внезапных прорывов метана из почвы горных выработок

Инструкция по прогнозу и предупреждению внезапных прорывов метана из почвы горных выработок (Министерство угольной промышленности Украинской ССР, Государственный Макеевский ордена Октябрьской Революции научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности. Макеевка-Донбасс, 1987, 29 с.).

Настоящая Инструкция обязательна при проектировании, строительстве , реконструкции и эксплуатации сверхкатегорных, а также опасных по внезаппным выбросам угольных шахт Донбасса.

Изложенысведеия о способах прогноза и предупреждения прорывов метана из почвы горных выработок, необходимые для этого исходные данные и материалы, мероприятия по обеспечению безопасности и ответственность служб предприятий и организаций по выполнению положений настоящей Инструкции.

Инструкция разработна на основе обобщения результатов исследований, выполненных МакНИИ им. А.А. Скочинскрго и ВНИМИ с учетом предложений работников угольной промышленности и органов госгортехнадзора.

Редакционная комиссия: Морев А. М. (председатель), Скляров Л.А., Большинский И.М., Водолазский В.Т., Клойзнер С.М. (МакНИИ), Грядущий Б. А. (МУП УССР), Сергеев И.В., Шерсткин В.В. (ИГД им. А.А. Скочинского), Кузнецов В.П. (ВНИМИ).

Государственный Макеевский ордена Октябрьской Революции научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ), 1987.

СОДЕРЖАНИЕ

К числу газодидинамических явлений, возникающих в угольных шахтах,

относятся внезапные разрушения почвы горных выработок с прорывом метана, которые известны давно в горной практике, но не выделялись в самостоятельную группу, а относились либо к суфлярам (если внезапные разрушения почвы выработок сопровождались обильным выделением метана), либо к горным ударам (если выделение метана из разрушенного массива отсутствовало или было незначительным). В настоящие время зафиксировано около ста лслучаев внезапных прорывов метана из почвы горных выработок. Фактически таких случаев было существенно больше, однако значительное количество их не регистрировалось, так как они протекали без серьезных последствий.

До последнего времени природа и механизм внезапных разрушений почвы горных выработок с прорывом в них метана не были достаточно изучены, что сдерживало разработку надежных и эффективных способов прогноза и предупреждения этих явлений. Кроме того, ни одним из известных способов прогноза не было предусмотрено определение расхода метана из разрушенной почвы выработки, что непозволяло оценить степень опасности внезапных прорывов метана для жизнедеятельности людей. В последние годы, в связи с ростом глубины разработки угольных пластов и интенсификацией горных работ последствия внезапных прорывов метана стали приобретать все более катастрофический характер. Исходя из этого, МУП СССР поручил подведомственным научно-исследовательским институтам во главе с МакНИИ разработать и внедрить на шахтах способы прогноза и предупреждения внезапных прорывов метана.

Выполненный анализ сведений о 115 случаях внезапных разрушений почвы горных выработок, 87 из которых сопровождались прорывами метана, показал, что внезапные разрушения надрабатываемого массива с прорывом и безпрорыва метана имеют одну и ту же природу. Прорыв метана в выработку происходит только в том случае, если образующиеся в почве выработки трещины достигают источников газовыделения - газоносных пластов (прослоев) угля или углистого сланца, а также скоплений метана в зонах тектоничес-ких нарушений.

На основе представлений о механизме разрушения массива разработаны физическая и математическая модели внезапных разрушений почвы горных выработок с прорывом в них метана.

Согласно принятой физической модели, расположенные ниже подошвы выработки слои упругих пород (песчаник, песчанистый сланец) рассматриваются как защемленная плита, лежащая также на упругом, но более мягком основании (уголь, углистое или глинистые сланцы). В результате опорного и газового давления в массиве плита прогибается в сторону выработанного пространства.

Задача прогноза внезапного разрушения почвы сводится к расчету величин прогибов и напряжений сопоставляются с предельными значениямидля пород плиты. Если расчетные напря-жения превышают предельные, то горный массив (плита) разрушается, а при попадании в зону разрушения потенциальных источников газовыделения происходит прорыв газа в горные выработки.

Указанная модель послужила основой для создания способов предупреждения этих явлений, а также разработки мероприятий по обеспечению безопасности ведения горных работ.

Промышленные испытания разработанных способов прогноза и предупреждения данногогазодинамического явления дали положительные результаты и рекомендованы Межведомственной комиссией, назначенной Минуглепромом УССР приказом № 35-2 от 23.07.85 г., для внедрения (протокол от 4 ноября 1985 г., г.Донецк),

Результаты исследований, а также опыт, накопленный в ходе испытаний и практического применения на шахтах Донбасса способов прогноза и предупреждения прорывов метана из почвы горных выработок, послужили основанием для составления настоящей Инструкции.

Инструкция не противоречит требованиям Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах и других действующих нормативных документов.

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Внезапные прорывы метана из почвы горных выработок- это газодинамические явления быстропротекающей деформации надработанного массива с образованием в нем трещин, по которым в выработки под давлением выделяется газ, иногда с водой. При этом деформация надработанного горного массива происходит, как правило, с поднятием почвы на высоту, достигающую иногда 0,35 м в очистных

и 1,5 м в остальных выробатках в зависимости от технологии их крепления и геометрических размеров.

1.2. В результате прорыва метана из почвы выработок может произойти их загозирование, иногда с кратковременным опрокидыванием воздушной струи.

1.3. Предшествующее прорыву метана разрушение надработанного горного массива может привести к повреждению механизмов и элементов крепи.

1.4. Внезапное разрушение надработанного горного массива может произойти в выработке любого типа, непосредственно у забоя или на некотором расстоянии от него.

1.5. Характерными признаками, предшествующими внезапному разрушению надработанной толщи пород, являются кратковременные глухие удары в глубине массива, переходящие в сильный шум или нарастающий гул с последующим поднятием появы горных выработок.

1.6. Внезапное разрушение надрабртанного горного массива сопровождается звуковым эффектом, аналогичным взрыву или пушечному выстрелу, упругими колебательными движениями почвы выработок и воздушным толчком. При этом в почве выработки образуется одна или несколько сияющих трещин, ориентированных по нормали или под некоторым углом к наслоению пород и, как правило, вдоль линии очистных забоев и продольной оси подготовительных выработок.

1.7. Если образовавшиеся в почве выработки трещины достигают хотя бы одного потенциального источника метановыделения, то разрушение надрабатываемого массива сопровождается прорывом метана в горную выработку, в противном случае оно протекает без заметного увеличения газовыделения.

1.8. Потенциальными источниками метановыделения являются:

скопления метана в полостях дизъюнктивных нарушений и прилегающих к ним зонах на расстоянии до

110 м по нормали в обе стороны от плоскости сместителя, а также от воображаемого продолжения его на такое же расстояние, считая от места затухания;

метаносные пласты (прослойки) угля или углистого сланца, расположенные в почве выработок на глубине до 25 м по нормали к наслоению пород.

1.9. Выявление потенциальных источников газовыделения на действующих шахтах производится геологическими службами шахт, а на стадии проектирования шахт-новостроек и реконструируемых шахт- проектными организациями на основе геологических работ.

1.10. Возможность прорыва метана из подлежащего надработке горного массива устанавливается прогнозом, указанным в п.2.

1.11. Осуществление прогноза является обязательным для сверхкатегорных, а также опасных по внезапным выбросам шахт при наличии потенциальных источников метановыделения.

1.12. Прогноз выполняется быстродействующей электронно-вычислительной машиной типа ЕС ЭВМ по специально разрабртанной программе на основе исходных данных, приведенных в п.2.4.

1.13. Обеспечение вычислительных центров программой для прогнозирования внезапных прорывов метана в горные выработки производится Главным вычислительным ценром МУП УССР по представлению ее разработчиком (МакНИИ).

1.14. Прогноз внезапных прорывов метана, разработка мер по их предупреждению и мероприятий по обеспечению безопасности ведения горных работ выполняются:

при проектировании шахт-новостроек, новых горизонтов и реконструкции шахт- проектными организациями;

в процессе эксплуатации и строительства шахт - соответствующими службами шахт и шахтостроительных организаций.

I. I5. Если прогнозом установлена возможность прорыва метана, необходимо предусматривать мероприятия по безопасному ведению горных работ (п.З), а в случае невозможности поддержания в атмосфере выработки безопасной концетрации метана средствами вентиляции и способы по предупреждению внезапного его прорыва (п. 4).

1.16. Порядок, обязанности и ответственность служб шахт и шахтостроительных организаций за выполнение положений настоящей Инструкции должны регламентироваться "Указаниями о порядке и контроле безопасного ведения горных работ в опасных зонах" (Ленинград, 1986, ВНИМИ) по аналогии с ведением работ в зонах, особо опасных по внезапным выбросам угля и газа.

1. I7. При ведении горных работ должен вестись учет всех случаев внезапного разрушения почвы вырапботок прорывом в них метана.Сведения об условиях проявления указанного газодинамического явления и его характерястике должны заноситься в форму "Учете суфлярных выделений" Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах.

2.ПРОГНОЗ ВНЕЗАПНЫХ ПРОРЫВОВ МЕТАНА

ИЗ ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

2.1. Прогноз предназначен для оценки:

возможности внезапного разрушения надрабатываемого горного массива;

примерного места внезапного разрушении горного массива в протяженных выработках;

глубины разрушения горного массива hk;

возможности внезапного прорыва метана из почвы проводимой

или проектируемой выработки;

ожидаемого максимального расхода метана 1м в выработку в начальный период, а для очистных выработок и по истечении некоторого времени после его прорыва из горного массива с учетом метанообильности выработки до возникновения газодинамического явления;

минимального содержания кислорода и максимального содержания метана в атмосфере выработки при возникновении газодинамического явления.

2.2. Прогноз выполняется на стадии проектирования,строительства и эксплуатации шахт в следующих условиях:

для камер - однократно перед началом их сооружения;

квершлагов и стволов - перед вскрытием каждого газоносного пласта (прослойки) угля или углистого сланца при подходе к нему на расстояние не менее 25 м;

очистного забоя - при максимальной его длине;

остальных подготовительных и капитальных выработок - при максимальной их ширине в проходке с учетом берма, а также для всех типов выработок в зонах, примыкающих к дизъюктивным нарушениям согласно п.1.8.

2.3. Если на стадии проектирования прогнозом не установлена возможность внезапного прорыва метана, то в процессе ведения горных работ прогноз должен быть повторен при уменьшении расстояния до потенциального источника метановыделения на 10% и более или увеличении его мощности не менее, чем на 0,05 м.

2.4. Для прогноза необходимы следующие исходные данные:

тип выработки;

геометрические размеры выработки: для лавы - длина очистного забоя и отход его от разрезной печи, для стволов круглого сечения - диаметр в проходке, остальных выработок - длина и ширина в проходке с учетом бермы, м;

выход летучих веществ из угля разрабатываемого или ближайшего к подошве выработки пласта, % весовые в пересчете на сухое беззольное состояние;

глубина разработки (расстояние от земной поверхности по вертикали до подошвы выработки в ее средней части по ширине- для капитальных, а также подготовительных выработок и по длине очистного забоя для лав), м;

расстояние по нормали от места прогноза до плоскости сместителя ближайшего дизъюнктивного нарушения или воображаемого продолжения его по п.1.8, м;

глубина зоны газового выветривания, м;

расход воздуха в выработке, м 3/мин;

расход митана в исходящей струе выработки до газодинамического явления, м 3/мин ;

давление газа в горном массиве на рассматриваемой глубине, Па;

выход золы в пересчете на сухую массу угля или углистого сланца потенциального источника метановыделения (только для очистных забоев), % весовые;

температура пород на заденной глубине (только для очистных забоев), °С:

литологический состав пород почвы выработки на глубину по нормали к наслоению не менее 60 м - для очистных забоев и 30 м - для остальных выработок, а также мощность каждого слоя

в метрах.

2.5. Перечисленные в п.2.4 исходные данные предоставляются заинтересованными организациями или предприятиями в обслуживающий их вычислительный центр по форме, приведенной в ПРИЛОЖЕНИЙ.

2.6. В результате решения конкретной задачи по разработанной для ЭВ Mпрограмме на распечатке выдаются параметры прогноза, изложенные в п.2.1, а также исходные данные по п.2.4.

3. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ

БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

3.1. Все рабочие, назначаемые на работы в горные выработки, в которых прогнозом установлена возможность внезапного прорыва метана, и посещающие их должностные лица, доданы быть ознакомлены с предупредительными признаками данного газодинамического явления, а также иметь при себе изолирующие самоспасатели.

3.2. Расход воздуха Qв выработке должен проверяться исходя из обеспечения концентрации в нем кислорода не менее 15% на случай прорыва метана:

Q ≥4(1 м+ 1), м 3/мин

где 1м - ожидаемый максимальный расход метана из надработанного массива при внезапном его разрушении, м 3/мин; I- расход метана в исходящей струе выработки до газодинамического явления, м 3/мин. Для девствующей выработки принимается по фактическим замерам, а для про-ектируемой определяется расчетом в соответствии с действующим "Руководством по проектированию вентиляция угольных шахт".

3.3. В случае невозможности обеспечения очистного забоя необходимым расходом воздуха на шахтах, использующих пневмо-энергию, в лавах должен быть проложен магистральный шланг сжатого воздуха с 3-5 отводами и переключателями, расположенными равномерно по длине. Комбайны и другие механизмы, работающие на сжатом воздухе, также должны быть оснащены отводами сжатого воздуха с переключателями.

Все устройства аварийного воздухоснабжения должны быть окрашены в оранжевый цвет.

3.4. Все рабочие, ведущие работы в тупиковых и очистных выработках должны обеспечиваться индивидуальными автоматическими сигнализаторами метана в соответствии с Правилами безопасности в угольных к сланцевых шахтах.

4. СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ПРОРЫВОВ

МЕТАНА ИЗ ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Предупреждение прорывов метана в шахтные выработки из надрабатываемого массива может быть достигнуто за счет:

опережающей отработки защитник пластов;

изменения положения выработки относительно потенциального источника газовыделения;

дегазации потенциальных источников газовыделения при помощи скважин.

4.1. Опережающая отработка защитных пластов

4.1.1.. Механизм защитного действия опережающей отработки защитных пластов состоит в снижении горного и газового давления, увеличения газопроницаемости в результате разгрузки и дегазации под- и надрабатываемого массива.

4.1.2. Защитным является такой пласт, отработка которого обеспечивает предупреждение внезапных прорывов метана иа почвы выработок, проводимых в защищенной зоне по выше - или нижележащему горному массиву.

4.1.3. При отработке свиты пластов в качестве защитного пласта принимается один из них, опережающая отработка которого обеспечивает максимальный эффект защиты, и который отрабатывается как одиночный с применением одной иа вышеприведенных мер по предупреждению прорывов метана из надрабатываемого им массива.

4.1.4. Отработка защитных пластов должна производиться без оставления целиков угля.

4.1.5. Размер защитной зоны в кровлю S 1(рис. I) принимается равным 70 кратной вынимаемой мощности защитного пласта, а в почву S 2- 25 м для пологих и наклонных и 35 м - для крутых пластов.

Рис. I. Границы зон защиты от прорыва метана в шахтные выработки из горного массива при его подработке (а) и надработке (б):

1 - угольный пласт, подлежащий отработке или по

которому намечено проведение подготовительной выработки;

2 - защитный пласт;

3 - потенциальный источник газовыделения;

4 - подготовительная выработка.

4.1.6. Выработа считается зачищенной от прорыва метана,

если ее подошва располагается выше нижней границы зоны защиты

еа расстоянии не менее 10м.

4.1.7. Защита выработки от внезапного прорыва в нее метана обеспечивается, если с момента под - или надработки зоны, в которой проведена выработка, прошло не менее 6 месяцев.

4.1.8. Углы защиты б 1, б 2, б 3и б 4принимаются из нижеприведенной таблицы.

Таблица

Значение углов защиты

4.2. Изменение положения выработки относительно

потенциального источника газовыделения

4.2.1. Предупреждение прорывов метана из почвы подготовительных выработок или камер достигается за счет их проведения таким образом, чтобы кратчайшее расстояние от их подошвы до ближайшего к ней источника газовыделения h, включая его мощность, превышало прогнозируемую глубину разрушения надработанного массива hk (рис. 2).

Рис. 2. Неопасное (а) и опасное (б)

расположение выработок в условиях крутого и наклонного залегания пласта:

I- подготовительная выработка;

2 - потенциальный источник газовыделения.

4.2.2. Если в надрабатываемом горном массиве вблизи подошвы подготовительной выработки находится потенциальный источник газовыделения, например, в виде пласт (прослойки) угля или углистого сланца, то, при возможности, он должен выниматся на полную мощность во время проведения выработки. При этом прорыв метана из почвы выработки не ожидается, если одновременно соблюдается условие, изложенное в п.4.2.1. (рис. 3).

4.3. Дегазация потенциальных источников

газовыделения при помощи скважин

4.3.1. Дегазация потенциальных источников газовыделения при помощи скважин для предупреждения прорывов метана из надрабатываемого массива в горные выработки может быть осуществленна в любых горно-геологических и горнотехнических условиях.

4.3.2. Дегазационные сквжины необходимо бурить на потенциальный источник газовыделения в виде пласта (прослойки) угля или углистого сланца так, чтобы они полностью пересекали его и внедрялись в подстилающий породный слой.

4.3.3. При попадании в прогнозируемую зону разрушения над-рабатываемого массива несколько потенциальных источников газовыделения дегазационные скважины необходимо бурить до наиболее удаленного от подошвы выработки источника газовыделения.

4.3.4. Для предупреждения прорывов метана в лавах дегазационные скважины необходимо бурить из подготовительных выработок преимущественно восстающими. Первая скважина должна быть пробурена таким образом, чтобы ее забой находился в створе с линией нарезаемого очистного забоя. Расстояние между забоями скважин - не более 25 м, а пересечение потанциальных источников газовыделения по длине лавы должно производиться на расстояниях, указанных на рис. 4, 5 и 6.

4.3.5. При проведении горизонтальных и наклонных выработок расстояние между забоями скважин и отставание их от вертикальной проекции забоев выработок не должно превышать 20 м, при этом забои скважин не должны выходить за контур выработки (рис. 7).