ИНСТРУКЦИЯ
ПО ВЫБОРУ СПОСОБА И ПАРАМЕТРОВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ КРОВЛИ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ

СОГЛАСОВАНО

с Госпроматомнадзором СССР 10.12.90 г. N 05-1-40/438

с ЦК профсоюза рабочих угольной промышленности СССР 06.07.88 г. N 4-158/26

УТВЕРЖДЕНО

Министерством угольной промышленности СССР 02.04.90 г. N 2-35-16/250

На базе действующей Инструкции по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках (Л., ВНИМИ, 1982) разработана новая, в основе которой - обобщение опыта применения механизированных крепей повышенного и высокого сопротивления с разупрочнением кровли и при его отсутствии в разнообразных горно-геологических условиях основных бассейнов и анализ результатов аналитических, лабораторных и шахтных исследований проявления горного давления.

Реализация способов разупрочнения базируется на новых исследованиях и разработках. Это обеспечивает безопасность взрывных работ.

Инструкция составлена ВНИМИ, ИГД им. А.А.Скочинского, Печорниипроектом, КНИУИ, Донуги, Шахтниуи им. А.М.Терпигорева, Макнии, Востнии, Кузниуи, Производственно-экспериментальным управлением по буровзрывным работам Донбасса (ПЭУ БВР), ЛГИ им. Г.В.Плеханова, Карагандинским политехническим институтом, ПО "Интауголь", ИГД СО АН СССР, ИГД КазССР при участии производственных объединений Карагандауголь, Воркутауголь, Северокузбассуголь, Южкузбассуголь, Гуковуголь, Сахалинуголь, Донецкуголь, Донбассантрацит, Краснодонуголь, Ровенькиантрацит.

Предназначена для использования научно-техническим персоналом производственных объединений, шахт, проектных и научно-исследовательских институтов Минуглепрома СССР (при разработке проектов и практическом разупрочнении кровли в очистных забоях).

ВВЕДЕНИЕ

В отрасли разрабатываются более 100 угольных пластов с тяжелыми кровлями и углом падения до 35°, выемка которых осложнена в периоды проявления осадок основной кровли. В большинстве таких случаев возникают аварийные ситуации в очистных забоях.

Чтобы повысить эффективность управления труднообрушаемыми породами кровли и таким образом обеспечить высокопроизводительную работу комплексно-механизированных очистных забоев и безопасность труда, в отрасли ускоренно реализуется основное направление решения этих вопросов - создание и внедрение механизированных крепей нового технического уровня с повышенным и высоким сопротивлением. Параллельно, как вспомогательное направление на период завершения перехода к крепям нового технического уровня, продолжается совершенствование применяемых способов разупрочнения в направлении повышения эффективности, снижения трудоемкости и обеспечения высокой безопасности ведения взрывных работ. Кроме этого, разрабатываются новые способы разупрочнения.

В 1980-1985 гг. с применением различных способов разупрочнения кровли в Карагандинском, Печорском, Кузнецком, Донецком бассейнах и ПО "Сахалинуголь" отработано 199 комплексно-механизированных очистных забоев, а за 1985-1990 гг. - 105 забоев.

Работы производились в соответствии с "Инструкцией по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках", утвержденной Минуглепромом СССР в 1981 г. Она была разработана с учетом использования индивидуальных и применявшихся в этот период механизированных крепей (рабочее сопротивление 320-650 кН/м). Многие ее положения по выбору и обоснованию параметров заложения скважин, области применения способов разупрочнения устарели, так как не были учтены величины рабочего сопротивления механизированных крепей, структура и строение пород основной и непосредственной кровли, ряд осложняющих факторов горно-геологического характера.

Опыт применения механизированных крепей высокого сопротивления показывает, что в условиях слабых пород почвы, при значительном зависании пород кровли в выработанном пространстве, крупноблочном обрушении, на пластах с вынимаемой мощностью более 3,0 м, склонных к отжиму, и в ряде других случаев они не в состоянии предотвратить аварийные ситуации в очистных забоях. Чтобы избежать деформаций элементов секций крепей, создать безопасные условия ведения очистных работ, предупредить появление воздушных ударов с выбросом в призабойное пространство больших объемов газа, в этих условиях следует широко использовать способы разупрочнения.

Для обеспечения полной безопасности ведения взрывных работ усовершенствованы водовоздушные и водораспылительные завесы, разработана и внедрена новая забойка, обеспечивающая камуфлетное взрывание без выбросов продуктов детонации в шахтную атмосферу.

На основе разработанной ВНИМИ дополнительной типизации тяжелой кровли угольных пластов установлена область применения разупрочнения в сочетании с крепями нового технического уровня.

Следует отметить, что в ближайшие годы способы разупрочнения будут широко применяться для решения задач управления состоянием массива горных пород на больших глубинах.

Успешно проводятся работы по использованию способов разупрочнения для разгрузки крепей подготовительных выработок от повышенного горного давления, для предотвращения пучения почвы при бесцеликовых схемах подготовки выемочных участков. Начаты экспериментальные работы по предотвращению газодинамических явлений в очистных забоях на основе комплексного метода, важнейшим элементом которого является разупрочнение труднообрушаемых пород.

Работы по разупрочнению пород должны полностью соответствовать требованиям Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах* (М.: "Недра", 1986), Единых правил безопасности при взрывных работах (М.: "Недра", 1972) и настоящей Инструкции.

________________

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности в угольных шахтах", здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Основным геологическим признаком тяжелой кровли, относящейся к классу трудноуправляемых, является величина отношения суммарной мощности легко- и среднеобрушающихся пород непосредственной кровли к вынимаемой мощности пласта при наличии в основной кровле трудно- и весьма труднообрушаемых пород, представленных крепкими песчаниками, известняками и реже алевролитами. В соответствии с единой классификацией кровли пологих пластов ВНИМИ (Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях угольных шахт*. - Л.: ВНИМИ, 1981), в зависимости от величины этого отношения к типу тяжелых кровель отнесены (3-4)0.    

1.2. В очистных забоях с тяжелой кровлей управление ею производится механизированными крепями повышенного и высокого сопротивления, а также индивидуальными стойками при повышенной плотности установки в сочетании с посадочной крепью.

Если рабочее сопротивление крепей не соответствует нагрузочным свойствам пород кровли, а также присутствует ряд осложняющих факторов, то необходимо разупрочнение пород основной кровли.

Выемочные участки, на которых необходимо производить разупрочнение труднообрушаемых пород кровли, устанавливает комиссия представителей производственных объединений (председатель - технический директор объединения), бассейнового НИИ, а также института по безопасности горных работ. Это осуществляется ежегодно при рассмотрении планов ведения горных работ на следующий год или безотлагательно в случае неожиданного проявления тяжелых осадок основной кровли, а также газодинамических явлений в очистных и подготовительных выработках.

Комиссиям рекомендуется использовать Каталог угольных пластов мощностью до 3,5 м и углом падения до 35° с тяжелыми кровлями (Л.: ВНИМИ, 1985), а также для выбора типа крепи - Каталог типовых условий эксплуатации механизированных крепей на полого-наклонных (до 35°) пластах (Л.: ВНИМИ, 1985) и методические основы выбора области применения, изложенные в настоящей Инструкции.

1.3. На плане горных работ выемочных участков, на которых признано необходимым производить разупрочнение кровли, должны быть указаны наименования способов разупрочнения: ПТ - передовое торпедирование, ГМТ - гидромикроторпедирование, ПОС - принудительное обрушение взрыванием скважинных зарядов, ПОШ - то же, шпуровых зарядов, ВГО - взрывогидрообработка, НГР - направленный гидроразрыв, ГДС - гидродинамическая стратификация, ВБ - взрывоподбутовка.

2. СПОСОБЫ РАЗУПРОЧНЕНИЯ

В отрасли освоены и применяются следующие способы разупрочнения: передовое торпедирование, гидромикроторпедирование, взрывогидрообработка, два вида принудительного обрушения - взрывание скважинных и шпуровых зарядов. В стадии промышленного внедрения находятся новые способы - гидродинамическая стратификация, направленный гидроразрыв, взрывоподбутовка.

Разработаны и апробированы в промышленных условиях новые модификации способа передового торпедирования: межэкранное торпедирование, направленное разупрочнение.

Целью применения в очистных забоях этих способов является снижение или полная ликвидация тяжести проявления осадок основной кровли.

2.1. Передовое торпедирование. Сущность способа - локальное ослабление прочных пород основной кровли впереди очистного забоя по длине или участку выемочного поля путем взрывания зарядов ВВ в длинных скважинах. Образующиеся в результате взрыва искусственные концентраторы напряжений в виде зон радиальных трещин и разрушенных контактов в плоскостях напластования по мере приближения очистного забоя к плоскости торпедирования и последующего ее перехода в изменяющемся силовом поле напряжений массива пород прорастают в магистральные трещины. Последние расчленяют массив пород основной кровли на блоки по высоте и напластованию.

Размер зон трещинообразования и разрушения контактов между прочными слоями зависит от типа ВВ, коэффициента заряжания, массы и конструкции скважинного заряда, физико-механических свойств и параметров волн напряжений. Расчет размеров зоны трещинообразования показан в прил.1.

В результате разупрочнения прочные труднообрушаемые породы основной кровли расчленяются на блоки меньших размеров. Это приводит к резкому снижению интенсивности и тяжести проявления первичных и вторичных осадок основной кровли, к уменьшению величины внешних активных нагрузок на крепь очистных забоев и разгрузке их краевых частей.

а. Межэкранное торпедирование. Цель способа - обеспечить максимальное использование энергии взрыва, чтобы повысить эффективность разупрочнения пород кровли. Для этого в качестве экрана служит природная и эксплуатационная трещиноватость. При определенном расположении скважин экран позволяет использовать эффект напряжений отраженных взрывных волн.

б. Направленное разупрочнение. Сущность его - в заложении в естественной плоскости обрушения одной скважины с взрыванием в ней заряда ВВ и другой - "холостой". Такая схема приводит к снижению сейсмического воздействия на слабые породы непосредственной кровли, что снижает вывалообразование.

2.2. Гидромикроторпедирование. Способ является комбинированным, сочетающим элементы передового торпедирования и гидрообработки. В скважинах взрывают небольшие заряды ВВ в оболочке специальной конструкции в водной среде под давлением с последующей гидрообработкой породного массива. Заряды ВВ располагают в местах залегания ослабленных контактов и прослоев. Перед взрыванием первого заряда в скважину нагнетают жидкость для заполнения пор и трещин. После первого в той же скважине в таком же режиме производятся последующие взрывания. В дальнейшем в скважину нагнетают жидкость в режиме гидрообработки.

Этими мероприятиями достигается разупрочнение массива за счет образования трещин расслоения и увлажнения пород. Слои обрушаются в несколько стадий и не создают повышенных нагрузок на крепи очистных выработок.

2.3. Взрывогидрообработка. Сущность способа - это предварительное создание трещиноватости в массиве труднообрушающихся монолитных пород кровли взрыванием скважинных зарядов диаметром 36-38 мм, массой ВВ 35-50 кг и последующее увлажнение от шахтного противопожарного трубопровода с напором 0,5-1,0 МПа.

После воздействия взрыва и увлажнения пород осадки основной кровли при работе очистных забоев не проявляются.

2.4. Принудительное обрушение кровли взрыванием скважинных зарядов. Сущность способа в следующем: при минимальной безопасной площади обнажения кровли взрыванием зарядов ВВ в длинных скважинах, параллельных линии очистного забоя, пробуренных вблизи целика, осуществляется обрушение труднообрушаемых пород над выработанным пространством на высоту до 10 м. Кровля под действием взрыва разделяется на слои, затем они обрушаются при зависании, меньшем по сравнению с естественным шагом обрушения. Это исключает воздушные удары и формирование больших активных нагрузок на крепи.

2.5. Принудительное обрушение кровли взрыванием шпуровых зарядов. Основа способа - бурение шпуров в кровлю из призабойного пространства очистного забоя. Взрыванием шпуровых зарядов ослабляют непосредственную кровлю. Если труднообрушаемые породы залегают непосредственно над угольным пластом, то в результате ослабления происходит их принудительное обрушение без воздействия на очистной забой. Если же труднообрушаемые породы залегают выше, вне досягаемости шпуровых зарядов, то производится рыхление непосредственной кровли на мощность, необходимую для подбутовки этих пород.

2.6. Способ подработки. Сущность способа - региональное ослабление труднообрушающихся пород кровли пласта посредством предварительной выемки нижележащего пласта. Ослабление или разупрочнение происходит за счет разрушения межслоевых связей, а также образования или развития трещин в породах в процессе деформирования и перемещения подработанной толщи. Степень разупрочнения пород снижается с удалением от подрабатывающего пласта и с уменьшением его мощности. Площадь зоны разупрочнения в плоскости напластования сокращается по мере удаления от подрабатывающего пласта. Она определяется углами разупрочнения по простиранию, восстанию и падению пласта.

Достаточность степени разупрочнения кровли оценивают по относительной мощности междупластья (соотношение мощностей междупластья и вынимаемой подрабатывающего пласта).

2.7. Скважинная взрывоподбутовка кровли. Способ заключается в возведении бутовых полос параллельно линии очистного забоя взрыванием скважинных зарядов в почве пласта в выработанном пространстве при отходе очистного забоя от разрезной печи. Это осуществляют, чтобы нейтрализовать проявление первичных осадок основной кровли на тонких угольных пластах.

2.8. Направленный гидроразрыв прочных пород основной кровли. Сущность способа - создание в этих породах искусственных протяженных трещин с заданной ориентацией в пространстве за счет нагнетания воды в режиме гидроразрыва к зародышевым щелям, нарезанным в скважинах. В результате разупрочнения кровли уменьшаются размеры обрушающихся блоков, снижаются нагрузки на крепи очистных и подготовительных выработок.

2.9. Гидродинамическая стратификация пород кровли. Способ состоит в том, что разупрочнение пород кровли осуществляют ориентированным гидроразрывом по предварительно нарезанной круговой щели. Обрушение последних исключает вредное проявление осадок основной кровли.

3. ВЫБОР ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПОСОБОВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ КРОВЛИ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ

Опыт применения механизированных крепей с различными величинами рабочего сопротивления на пластах с тяжелыми кровлями позволяет обоснованно устанавливать целесообразную область применения способов разупрочнения.

Анализом проявления горного давления при использовании различных типов крепей установлено, что интенсивность и тяжесть проявления осадок основной кровли определяется значением , а также величиной рабочего сопротивления крепей, прочностными свойствами и структурными особенностями пород основной и непосредственной кровли.

В связи с этим целесообразно разработать дополнительную типизацию тяжелых кровель по прочностным и нагрузочным свойствам пород основной кровли.

3.1. Дополнительная типизация тяжелой кровли. В Каталоге угольных пластов мощностью до 3,5 м и углом падения до 35° с тяжелыми кровлями (Л.: ВНИМИ, 1985) приведена дополнительная типизация по нагрузочным свойствам, в соответствии с которой труднообрушаемые породы кровли разделены на два типа, - к 3А отнесены породы с пределом прочности на сжатие 60-80 МПа, а к типу 3Б - более 80 МПа. (Индекс 3 в соответствии с единой Классификацией боковых пород ВНИМИ характеризует класс трудноуправляемых кровель, к которым отнесены и тяжелые).

Разделение диапазона тяжелых кровель по нагрузочным свойствам, т.е. по величине , показано на рис.1. Верхняя граница, разделяющая трудно- и среднеобрушаемую кровлю, установлена на основе опыта применения механизированных крепей с различными величинами рабочего сопротивления.

Рис.1. Дополнительная типизация тяжелой кровли по нагрузочным свойствам

Значения по верхней границе в зависимости от вынимаемой мощности изменяются от 4 (при вынимаемой мощности пласта 1,0 м) до 1,6 (при 5,0 м). Нижняя граница диапазона труднообрушаемой кровли проходит по оси абсцисс, т.е. 0.

Диапазон труднообрушаемой кровли между верхней и нижней границами разделен приблизительно на три равные части, которые образуют четыре подтипа кровли 3A, 3А, 3А, 3А и 3Б, 3Б, 3Б, 3Б.

Исходя из этого, каждому подтипу кровли соответствуют значения отношения :