Приложение 1. Методика прогнозирования удароопасности угольных пластов и пород

Приложение 1

Методика
прогнозирования удароопасности угольных пластов и пород

1. Основные понятия и определения

1.1. Горный удар - хрупкое разрушение угольного целика, краевой части пласта или боковых пород, находящихся в предельно напряженном состоянии, проявляющееся в виде отброса или выдавливания угля (породы) в горные выработки и приводящее к повреждению горной крепи, смещению машин, оборудования и нарушению технологического процесса.

Удар возникает внезапно, сопровождается резким звуком, сотрясением горного массива, образованием большого количества пыли и воздушной волной. На газоносных угольных пластах удар приводит к повышенному газовыделению, а на крутых пластах может вызвать обрушение или высыпание угля.

Микроудар - осыпание угля (породы) в горные выработки без нарушения технологического процесса, сопровождаемое резким звуком, сотрясением горного массива, образованием пыли, а на газоносных пластах - газовыделением.

Толчок - разрушение пласта угля (породы) в глубине массива без отброса в горную выработку, сопровождающееся звуком, сотрясением массива, образованием пыли, а на газоносных пластах - газовыделением.

Стреляние - разрушение и отскакивание кусков угля (породы) на обнаженных участках массива, сопровождаемое резким звуком.

Горный удар с разрушением пород почвы (кровли) выработки - хрупкое разрушение слоя породы почвы (кровли) выработки в результате превышения предела прочности его в условиях изгиба со сжатием. Сопровождается заполнением выработки разрушенным материалом, повреждением механизмов и оборудования, сильным звуком, сотрясением и пылеобразованием, а на газоносных пластах - повышенным газовыделением.

Горно-тектонический удар вызывается воздействием энергии сейсмических волн от толчкообразного деформирования горного массива, в том числе техногенных землетрясений, и проявляется в виде горных ударов на нескольких участках шахтного поля или группы шахт. Горно-тектонический удар сопровождается сильными сотрясениями массива, резким звуком, образованием пыли и воздушными волнами.

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 категориями ОПАСНО.

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

Передовыми выработками следует считать выработки, соединяющие вентиляционный и откаточный горизонты выемочных столбов, а также капитальные пластовые выработки, которые впоследствии попадут в зону опорного давления от действующих очистных забоев.

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 геодинамически опасных зон на значительных площадях, соизмеримых с размерами шахтного поля, в пределах всего месторождения. Региональный прогноз осуществляется непрерывно с помощью сейсмостанций, предназначенных для этой цели.

Локальный прогноз удароопасности (прогноз удароопасности участка пласта) - определение на конкретном участке (забой, целик, выработка) относительной величины повышенной напряженности краевой части массива.

Участки пласта делятся на две категории - ОПАСНО и НЕОПАСНО.

Зона опорного давления l - краевая часть пласта вокруг выработки (очистной, подготовительной), в пределах которой уровень напряжений выше, чем в нетронутом массиве.

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.

Локальная выемка защитного пласта - первоочередная отработка ограниченного участка угольного пласта в целях 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 области разгрузки, в пределах которой не происходит динамических явлений при разработке удароопасного защищаемого пласта.

Углы защиты , , и - углы, разделяющие неопасные и опасные участки под- или надрабатываемого пласта.

Углы давления , и - углы, оконтуривающие опасные участки на подработанном пласте.

Критическая мощность - мощность защитного пласта, начиная с которой дальнейшее ее уменьшение приводит к увеличению углов давления и уменьшению 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).

Зона влияния геологического нарушения - локальный участок угольного пласта (боковых пород), примыкающий к геологическому нарушению, в пределах которого изменены механические свойства и напряженное состояние горного массива.

Геодинамическое районирование - метод диагностики горного массива, позволяющий выявлять его блочную структуру, оценивать и прогнозировать напряженное и газогидродинамическое состояние.

2. Определение основных геологических и горно-технических факторов

Удароопасность пластов определяют следующие геологические факторы:

значительная глубина залегания; наличие в кровле мощных слоев прочных песчаников; 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, дается начальный прогноз об удароопасности пластов.

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

выход керна составляет 85 - 100%;

уголь крепкий (коэффициент крепости ), 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:

,

где , , - баллы, определяемые по табл. 1.1.

Таблица 1.1

Глубина залегания пласта, м	Балл	Прочность пород кровли мощностью 10 м, МПа	Балл	Мощность основной кровли, м	Балл
150	1,0	80 - 100	1,0	10	1,0
200	2,5	150	1,5	15	1,5
250	3,0	200	2,0	20	2,0
300	3,5	250	2,5	25	2,5
350	4,0	300	3,0	30	3,0
400	4,5			35	3,5
450	5,0			40	4,0
500	5,5			45	4,5
500	6,0			50	5,0
				55	5,5
				60	6,0

Каменноугольные и антрацитовые пласты относятся к угрожаемым по горным ударам при .

При Р = 3 минимальная глубина залегания пласта составляет 150 м, прочность пород основной кровли на одноосное сжатие 80 МПа, мощность монолитного слоя основной кровли 10 м.

В процессе ведения горных работ проявлениями удароопасности пластов являются толчки, 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

На стадии геологоразведочных и проектных работ, выполняемых до детальной геологической разведки шахтного поля или его отдельного участка, применяется оценка потенциальной удароопасности пласта по коэффициенту удароопасности К.

Коэффициент удароопасности находят из соотношения:

,

где:

- упругая относительная деформация краевой части пласта угля при искусственно создаваемой с помощью давильной установки нагрузке, составляющей 75 - 80% от разрушающей;

- полная относительная деформация.

Для условий Кузбасса значение коэффициента К определяют по графику в зависимости от прочности угля (рис. 1.1).

"Рис. 1.1. График зависимости показателя удароопасности К от прочности угля"

При угольный пласт считают потенциально удароопасным. В этом случае при составлении проектной и рабочей документации, а также при ведении работ на этом пласте необходимо предусматривать меры, требуемые настоящей Инструкцией в отношении пластов, опасных по горным ударам. Степень удароопасности угольного пласта в дальнейшем должна уточняться в соответствии с требованиями п. 1.5 Инструкции.

Угольные пласты, состоящие из нескольких слоев разного петрографического типа, условно представляют в виде двух пачек: слабой и крепкой. В слабую пачку включают слои, прочность которых меньше или равна 0,6 по шкале проф. Протодьяконова, а в крепкую - с прочностью более 0,6.

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

,

где:

и - прочность пачек соответственно крепкого и слабого угля;

m - мощность пласта;

- мощность пачки со слабым углем.

При определении коэффициента удароопасности прочность угля рассчитывают по формуле: .

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

,

где и - коэффициенты удароопасности соответственно крепкой и слабой пачек пласта.

Для определения склонности угольных пластов к горным ударам может быть использован показатель интенсивности разрушения в виде отношения запредельной работы упругой деформации к допредельной. Такое определение производится ВНИМИ или другой организацией, имеющей соответствующую лицензию Госгортехнадзора России и необходимое оборудование. 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. 1.2). Из точки перегиба А на диаграмме проводят прямую AD, параллельную участку упругого деформирования ОЕ, и опускают перпендикуляр АС.

"Рис. 1.2. Схема определения коэффициента интенсивности разрушения угольного пласта"

Из точки С проводят прямую СВ, параллельную ОЕ, до пересечения с кривой диаграммы в точке В. Отношение площадей является показателем склонности пласта к горным ударам. Если , то угольный пласт склонен к пластическому деформированию, при происходит идеально хрупкое разрушение. Пласт является склонным к горным ударам при .

На пластах сложного строения, представленных разнопрочными угольными пачками или разделенными прочными породными прослоями, прогноз удароопасности отдельных участков следует проводить по наиболее прочным угольным пачкам. При разнице в прочности слоев угля и пород в четыре раза и суммарной мощности породных прослоев, составляющей 40% от общей мощности пласта, такой участок не является удароопасным.

4. Выявление пластов, склонных к горным ударам, одновременно склонных к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа на основе информации о фазово-физических свойствах угля

4.1. Определение склонности пластов к горным ударам и выбросам на основе информации о фазово-физических свойствах угля.

4.2. Определение склонности пластов к горным ударам и выбросам на основе информации о фазово-физических свойствах угля проводится на стадии разведки месторождения, строительства и эксплуатации шахт с использованием четырех показателей:

структурный показатель (), отражающий долевое участие сорбционного перового объема угля в общей пористости;

максимальная гигроскопическая влагоемкость (), равная максимальному количеству физически связанной влаги, которую может вмещать и удерживать сорбционный объем порового пространства угля; соответствует полному водонасыщению сорбционного объема порового пространства;

полная влагоемкость (), равная максимальному количеству влаги, которую уголь может вмещать и удерживать в полном (сорбционном и фильтрационном) объеме порового пространства;

естественная влажность угля (), равная фактическому количеству влаги, содержащемуся в угле на участке опробования.

4.3. Каменноугольные и антрацитовые пласты являются склонными к горным ударам при , склонными к внезапным выбросам угля и газа при .

4.4. Каменноугольные и антрацитовые пласты являются неопасными по горным ударам и выбросам при , при обратном соотношении возможна динамическая опасность при наличии других факторов, определяющих ее возникновение.

4.5. Буроугольные пласты склонны к горным ударам при .

4.6. Определение фазово-физических свойств угля производится посредством отбора бороздовых проб с обнажения пласта или проб угля из шпуров и скважин. Методика апробирования и лабораторных анализов изложена в Методических указаниях по прогнозированию динамических явлений на угольных пластах по их фазово-физическим свойствам (Л.: Изд. ВНИМИ, 1981).

4.7. На пластах сложного строения для определения их склонности к горным ударам пробы отбирают из крепких пачек угля, склонности к выбросам - из слабых перемятых пачек.

Если пласт на 70% и более по мощности представлен пачками угля, отвечающими условиям удароопасности, то его относят к угрожаемому по горным ударам (п. 2 приложения 1).

Наличие в таком пласте хотя бы одной пачки мощностью более 0,1 м, отвечающей условию выбросоопасности, дает основание относить его к пластам, одновременно склонным к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа.

5. Прогноз удароопасности пород

На угольных месторождениях прогнозу удароопасности подлежат в первую очередь боковые породы с пределом прочности на одноосное 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.

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

В целях 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 гидравлического механизма, фиксируют исходные показатели манометра и индикаторов. Производят внедрение штампа до момента разрушения породы.

В процессе разрушения измеряют:

и - соответственно максимальное и минимальное давление в гидросистеме на момент начала и окончания разрушения, МПа;

- глубину внедрения штампа на момент разрушения, мм;

- глубину лунки в породе после разрушения, мм.

Коэффициент хрупкости вычисляют по формуле:

.

Минимально необходимое число определений коэффициента хрупкости - 10.

Породы, имеющие , являются склонными к горным ударам. При породы не склонны к горным ударам.

ПРИКАЗ

по организации и территориальному органу

Госгортехнадзора России

Гор. ____________ N ___________ от _____________________

На основании требований Инструкции по безопасному ведению горных работ на

шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам (СПб., 1999),  и

заключения ВНИМИ утвердить список шахтопластов, отнесенных  к  опасным  и

угрожаемым по горным ударам.

Список шахтопластов, отнесенных к опасным и угрожаемым по горным ударам

Шахта	Индекс и название пласта	Пласт		Глубина, начиная с которой пласт относится к опасным и угрожаемым
		угрожаемый	опасный

Технический руководитель                Начальник территориального органа

организации                             Госгортехнадзора России