НПАОП 10.0-5.07-88Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам

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 сI иII 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 давленияI .

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 давленияI — 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 зонаn — 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 δ i , — угол между боковой границей защищенной зоны и плоскостью очистной выработки защитного пласта.

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

Критическая мощностьm— 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 крепостиf =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/εП ּ100

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 целомf рассчитывают по формуле:

f =fКР\ (1 + (fКР\fСЛ-1)m \mСЛ)

где иfКРиfСЛ— 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)m СЛ /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 = КИявляется показателем склонности пласта к горным ударам. Если КИ= 1, то угольный пласт склонен к пластическому

деформированию, 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 иW МГ, характеризующая «сорбционный» поровый объем по отношению к жидкой фазе, включая переходные поры (коллектор влаги и газа);

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

естественная влажностьWe (или степень водонасыщения (Ge ) при сравнении сW мг иG мг 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 (иW мг,G ш,G е) определяются степенью их метаморфизма, газоносностью, газовым давлением и напряженным состоянием. Возрастание газоносности и газового давления приводит к снижению отношенияW е/WМГи- показателяG мг, связанного степенной зависимостью с прочностными и упругими характеристиками угля. При небольших нагрузках (до 10—15 МПа) уровеньWe будет вышеW м,, с ростом нагрузок —W е <W мг Если в пласте есть газ, то при газовом давлении, большем 0,6—0,7 МПа влажностьW е также будет нижеWМГ.

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 нарушенияZВна степень удароопас-ности пласта зависит от амплитуды дизъюнктива Н и составляет в каждом крылеZВ= (2—3) Н приH > 10 м;Z В = 5H приH < 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 приm > 2 м, либо в его средней части приm ≤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

ф азово-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 иW е иW мг> 4% имеют степень водонасыщенияGе<0,85. Методика определенияGерассмотрена 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) приW мг>4%, .W е<WМГ,G мг>0,5.

На антрацитовых и каменноугольных пластах средней и высокой стадий метаморфизма (марки угля Г, Ж, К, ОС, Т приW мг<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 приW мг<4% следующие.

Пласты, склонные к горным ударам:

Гмг>0,5,W е≤W м г (илиG е≤G мг).

В опасных зонахG мг→0,7—0,8 (или 0,35);W е ≤WМГ,WМГ≤ 3%

Пласты, склонные к внезапным выбросам угля и газа:GМГ<0,5;W е<W мг.

Как правилоGe =0,35.

В опасных зонахWМГ= 1,5—3%;G мг≤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 значенияW МГ не ограничиваются, а предельные значения параметров, дифференцирующих пласты по склонности к внезапным выбросам угля и газа и горным ударам, следующие:G м г≈ 0,7—0,8,G е ≈ 0,35. В выбросоопасных зонах:G мг≤0,35;G е≤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 (I тип преимущественно стреляния и микроудары,WМГ<1,5%,W е≤WМГ,II тип обрушения с небольшим газовыделением,W ≥1,5%,G мг≤0,35,W е≥W мг, в опасных зонахW е≤W мг)

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 увеличениеG мг и снижениеW е ниже уровняW мг

На выбросоопасных пластах естественная влажность уже впереди забоя подготовительной (капитальной) выработки, проходимой в нетронутом массиве вне влияния очистных работ, существенно нижеWМГ, аGe ≤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 прилI ) 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

Методика оценки хрупкости состоит в следующем Перфоратором бурят скважины диаметром 60 мм Забой каждой скважины шлифуют без доступа воды специальными коронками, имеющими сплошной контакт с породой Минимальная глубина скважины 0,4 м Прибор устанавливают в скважине, расклинивают с помощью гидравлическою механизма, фиксируют исходные показатели манометра и индикаторов Производят внедрение штампа до момента разрушения породы

В процессе разрушения породы измеряют

Р1и Р2— соответственно максимальное и минимальное давление в гидросистеме на моменты начала и окончания разрушения, МПа,h1— глубину внедрения штампа на момент разрушения, мм,h2—глубину лунки в породе после разрушения, мм

Коэффициент хрупкости вычисляют по формуле

КХР= (Р1 h1) /( Р2 h2)

Минимально необходимое число определений коэффициента хрупкости 10

Породы, имеющие Кхр ≥3, являются склонными к горным ударам При КХР< 3 породы не склонны к горным ударам

ПРИКАЗ

по производственному объединению

и управлению округа Госгортех надзор а

Гор. _____ № _____ от ________

На основании § 132 ПБ, руководствуясь требованиями пп. 1.5 и 1.6 «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам» (Л., 1988), и заключения ВНИМИ, утвердить список шахтопластов, отнесенных к опасным и угрожаемым по горным ударам.

список

ШАХТОПЛАСТОВ, ОТНЕСЕННЫХ К ОПАСНЫМ И УГРОЖАЕМЫМ ПО ГОРНЫМ УДАРАМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПОЛОЖЕНИЕ О КОМИССИИ ПО ГОРНЫМ УДАРАМ