МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела
(В Н И М И)
ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ по выбору способа и параметров разупрочнения труднообрушаемой кровли на выемочных участках
Ленинград
1976
ВСБСОГОШЙ НАУЧН041ССад0ВАтаГЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ и маркшЩврского ДЕЛА.
(ВНИМИ)
УТВЕРЖДЕНО
Первым заместителем Министра угольной промышленности СССР Л. Ё. ГРАФОВЫМ 15 сентября 1976 г.
ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ ПО ВЫБОРУ СПОСОБА И ПАРАМЕТРОВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ ТРУДНООБРУШАЕЫОЙ КРОВЛИ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ
Ленинград
1976
a |
|
иаг обрушения , и шаг обрушения ,м |
О |
|
шаг обрушения,п шаг обрушения,« |
Рис. I. Гистограммы распределения величин шага первичных и вторичных обрушений труднообрушаеиой кровли
1.2.4. При наличии основного геологического признака, разных ( и даже одинаковых) величинах шага обрушения нагрузочные свойства кровли могут быть существенно различны, так как они зависят от толщины блоков и ее соотношения с длиной блоков (шагом обрушения). На рис.2 приведены расчетные схемы, для которых с некоторым приближением можно дать оценку нагрузочных свойств труднообрушаемой кровли. Ожидаемые внешние активные нагрузки сравниваются с номинальным сопротивлением (конкретной крепи или по ГОСТ 15852-70). Последнее при сравнении уменьшено на 20# с учётом неизбежного разброса уровня настройки предохранительных клапанов и снижения уровня настройки с течением времени.
1.2.4Л. При наличии над угольным пластом пачки легкообруша-ющихся слоев мощностью К, и толщине нижнего слоя основной кровли К2 (рис.2а) сравнение удельной ожидаемой активной нагрузки ^ с номинальным удельным сопротивлением крепи PHjC можно произвести по формуле
В этой формуле
- нагрузка от непосредственной кровли, тс/м2,
^2- нагрузка от основной кровли, тс/м2,
f, и г2 - объёмный вес пород непосредственной и основной кровли соответственно, тс/и3,
1П - расстояние от забоя до крепи, равное шагу передвижки, м, 1Кр- длина секций крепи, м,
Ц - максимальная длина зависающей консоли непосредственной кровли, м; в большинстве случаев от 0,5 м до 0,51кр ,
-Ь2- шаг вторичного обрушения основной кровли, м; принимать по опытным данным наибольший из наблюдаемых,
В - коэффициент, зависящий от С2= :
С'2 |
-1 |
1 * С2 <= 2 |
С2=>2, -^*=7 |
с2 > 2 , — > 2 |
В |
0,75 |
0,5 |
0,5 |
0,3 |
|
И |
ч
формулой (I) можно пользоваться при -*3,5. Если левая часть неравенства будет больше правой, то повышенные активные нагрузки могут быть в пределах всего выемочного столба. Если левая часть будет меньше правой, то необходимо произвести расчет для первичного обрушения. Для этого б формуле (I) вместо h2 надо принять пслоьину шага первичного обрушения . Зто замечание справедливо также и при использовании приводимых ниже формул (2), (3) и (5)- Если при левая часть будет больше правой, то повышенные нагрузки ожидаются только при первичных обрушениях. Шаг первичного к вторичного обрушения принимать по опытным данным (наибольший из наблюдаемых).
I. 2.4.2. При залегании над угольным пластом толстого слоя породы (Рис.26), разламывающегося на блоки при С, = 1 ,
расчет производить по формуле
Я “ ^ 4 Ml,.б) 4 8 ^ с,зрнс
В этой формуле
1П £ - суммарная длина полдеряиваегдос крепью блоков, у; длины блоков как правило разные; принимать, что последний поддерживаемый блок имеет наибольшую из наблюдаемых длину и воловина дл;шы этого блока зависает за крепью; при длине блока больше ( tn ■* Ък? ) принимать полную длину блока,
Ц0' - суммарная длина зависающих за крепью блоков, ?л; принимать по опытным данные; при 1$ ^ (1П* 1КР) суммарную дллну зависающих блоков можно принимать равной (4+5) *;> . Яри д-лше блока больше ( 1п • 1Кр ) могут быть два случая. Б пзрвем случае блок, находящийся за крепью, зависает; тогда вместо Ц р принимать длину блока; во втором случае блок, находящийся за крепью, систематически выпадает; тогда второе слагаемое в скобках принимать рапным нулю.
Ксо’&чтиеит В принимать 0,?.*5 при С2-= 3; 0,5 -при I ~ С2 2 и 0,3 - при С2 ^ 2.
I. 2.4.3. При зачеганпи кепосредствскно над угольным пластом
труднообрушаемого слоя породы, разламывающегося на блоки, при С1 > I расчет производить по формуле:
Г, Я,Ь,
* 0*8Р,С
Все обозначения даны на рис.2 в. Коэффициент В принимать 0,75 при I * С,< 2 и 0,5 при С2> 2. При залегании над нижним слоем труднообрушаемой породы с толщиной слоя К2> Ц принимать D =1; если принимать D = 1,3. При залегании
над нижним труднообрушаемым слоем пачки легкообрушаемых пород общей мощностью Я2> 0,5 Я, принимать D =1,5; при 0,51ц коэффициент D принимать с учетом полного веса этой пачки, т.е.
Г? Я, TiH,
I. 2.4.4. Формулы (I) - (3) не учитывают уравновешивание
(Hv - Д Яш - д Яп) (1п + Ц + \2)
момента, создаваемого внешними активными нагрузками. Предполагается, что момент уравновешивается обрушенными породами. Для схем на рис.2а,б это предположение вполне допустимо. При 2 (рис.2в) момент необходимо уравновесить, если при опускании заднего конца блока до почвы пласта сокращение крепи по заднему ряду стоек может превысить раздвижноеть крепи. Сравнение этих величин производить по формуле
В этой формуле
ДЬкр - принудительное сокращение высоты крепи при опускании заднего конца блока до почвы пласта, м,
ДЬШ - толщина слоя угольного и породного штыба за крепью, м, дЯп - поднятие почвы, м; на расстоянии 10-20 м от забоя при глубине залегания до 500 м можно принимать 0,1*™ , при больших глубинах - 0,I5vtv,
11 - длина передней консоли верхняка секции, м,
12 - расстояние между передним и задним рядами стоек в секциях, м,
Н - высота крепи на участках выемочного столба с наименьшей
вынимаемой мощностью угольного пласта, м,
Нмин -минимальная конструктивная высота крепи, м,
0,05 м - запас раздвижности на разгрузку секций.
Если левая часть (4) меньше правой, то расчет производить по формуле (3). Если левая часть (4) равна или больше правой, то расчет надо производить с учетом необходимости уравновешивания момента по формуле
J, bt L2 (L2 * 0,36 bt)
-тт^ти-гт-тцг-55 °-8P».c •
Во все формулы входит толщина труднообрушаемых слоев. Она может быть определена по результатам выявления положения слабых контактов и приближенных расчетов расслаивания пород (приложения 9 и 10).
1.2.5. Горнотехнологическими признаками труднообрушаемых кровель, которые подлежат разупрочнению, являются воздушные удары, групповое зажатие и опрокидывание секций, разрушение элементов механизированных крепей, частичные и полные завалы лав при первичных и вторичных обрушениях, а также управление кровлей с помощью пеликов - ножей и усиленных паспортов крепления в лавах до применения механизированных крепей.
1.2.6. Выявление выемочных участков, на которых необходимо проводить работы по разупрочнению труднообрушаемой кровли, производится комиссией в составе представителей производственного объединения ( председатель комиссии - технический директор объединения), ВНИМИ и бассейнового НИИ ежегодно до утверждения шахтам годового плана или безотлагательно в случае неожиданного проявления тяжелых обрушений кровли. Комиссиям производственных объединений при выявлении таких участков рекомендуется использовать "Каталог пологих угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями в угольных бассейнах СССР" (изд. ВНИМИ, Л., 1976).
"Каталог* составлен ВНИМИ и бассейновыми НИИ, согласован с производственными объединениями. Включение угольных пластов в "Каталог" производилось по совокупности геологических и горнотехнологических признаков. При наличии геологических признаков решающее значение придавалось горнотехнологическим признакам.
Выемочные участки, на которых признано необходимым проводить работы по разупрочнению, должны быть показаны на планах
15
УДК 622.831. 24:622. 284-523. 3
Временная инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения труднообрудаемой кровли на выемочных участках. Л.# 1976, 141 с. (М-во угольной пром-сти СССР, Всесоюз. кауч.-ис-след. пн-т горн, геомех. и маркшейд. дела).
Составлена БНОД1, Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским угольным институтом (КНИУИ), Государственным научно-исследовательским, проектно-конструкторским и проектным угольным институтом (Печорниидроект), Шахтинским научно-исследовательским и проектно-конструкторским угольным институтом (Шахтниуи), Донецким научно-исследовательским угольным институтом (Донуги), Восточным научно-исследовательским институтом по безопасности работ в горной промышленности (Бостеии), Производственно-экспериментальным управлением по буровзрывным работам Минуглепрома УССР (ПЗУ БВР) при участии ИГД им. А.А.Скочинского, Ленинградского горного института, производственных объединений Карагандауголь, Воркутауголь, Интауголь, Гуковуголь и Сахалинуголь. Основные способы разупрочнения (передовое торпедирование и гидрообработка) предложены ЮГЛУИ и Печорниипроект. "Временная инструкция..." разработана на основе обобщения опытного и промышленного применения основных и других способов разупрочнения труднсобрушаемой кровли на шахтах Карагандинского, Печорского, Кузнецкого, Донецкого бассейнов и угольных месторождений о-ва Сахалин. Рассмотрена в Минуглепро-ме УССР, производственных объединениях Карагандауголь, Воркутауголь, Интауголь, Кузбассуголь, Южкузбассуголь. Востнии, Макнии, согласована с Госгортехнадзором СССР а утверждена Минуглепро-мом СССР 15 сентября 1976 г.
"Временная инструкция" предназначена для использования инженерно-техническими работниками производствзнкых объединений, шахт, проектных и научно-исследовательских институтов Микугле-прома СССР при разработке проектов и практическом осуществлении работ по разупрочнению трудяообрушаемой кровли.
ВВЕДЕНИЕ
В девятой пятилетке осуществлено техническое перевооружение угольной промышленности и широкое внедрение высокопроизводительных очистных механизированных ко?лллексов. На 1.1.1976г число лав с механизированными крепями составило 944. В 1975 г. из таких лав добыто 222.8 млн.т угля или 59,8£ от всей подземной добычи на пластах пологого падения, где требуется навалка угля. Первостепенной задачей в угольной промышленности в десятой пятилетке является повышение технического уровня, улучшение качественных показателей, продолжение технического перевооружения шахт и разрезов, повышение производительности и улучшение условий труда на базе внедрения комплексной механизации и автоматизация. Дальнейшее расширение области применения комплексной механизации может осуществляться только за счет внедрения её в лавах с неблагоприятными горногеологическими условиями: ложные, неустойчивые и труднообрушаемые кровли, слабые почвы и геологические нарушения.
Особо сложными являются условия в лавах с труднообрушае-мыми кровлями, в которых из-за недостаточности сопротивления механизированных крепей происходят завалы лав и зажатие секций крепей. В 1973 г. .ШИШ и бассейновые НИИ выявили во всех бассейнах угольные пласты с труднообрушаемыми кровлями ( с углом падения до 35°), для которых недостаточно сопротивление механизированных крепей. К тому времени в лавах на этих пластах произошло 240 частичных и полных завалов, более тысячи зажатий секций механизированных крепей. Увеличение себестоимости угля из--за дополнительных затрат (усиление крепи, замена элементов крепи, потеря добычи, демонтаж, монтаж) во многих случаях превышает 0,50 руб/т. Но состоянию на конец 1975 г. с труднообру-шаемыми кровлями выявлено около 100 угольных пластов (из числа разрабатываемых).
Для обеспечения управления трудэообрушаемыми кровлями э лавах, оборудованных механизированными комплексами, ведутся работы в двух основных направлениях: создание механизированных крепей с повышенным сопротивлением и применение способов разупрочнения кровли.
3
Создание и применение механизированных крепей с повышенным сопротивлением может уменьшить число случаев зажатия секций, но не может исключить это явление на всех угольных пластах с труднообрушаемыми кровлями. Около S0% таких угольных пластов имеют слабые почвы и неустойчивые нижние слои кровли, при наличии которых механизированные крепи с повышенным сопротивлением будут внедряться в породы, разрушать их, не будут развивать номинальные сопротивления и не исключат завалы лав. На некоторых других пластах с труднообрушаемыми кровлями с высокой контактной прочностью боковых пород на отдельных участках (особенно при первичных обрушениях) внешние активные нагрузки могут превышать 250-300 тс/м^. Создание механизированных крепей с таким высоким сопротивлением чрезвычайно сложно.
В настоящее время наиболее реальным является второе направление - разупрочнение труднообрушаемой кровли. Опробованы следующие способы разупрочнения: ослабление кровли взрыванием шпуровых зарядов, принудительное первичное обрушение кровли взрыванием скважинных зарядов, передовое торпедирование и гидрообработка кровли; опробываются и являются перспективней варианты комбинированного применения передового торпедирования и гидрообработки. Опыт применения и результаты исследований показывают, что наиболее прогрессивней являются способы, позволяющие разупрочнять кровлю впереди очистного забоя, т.е. способы предварительного разупрочнения кровли. Такими способами являются передовое торпедирование, гит'рообработка и способы, представляющие собой комбинации из этих двух основных.
До 1.1.1976г. способ передового торпедирования кровли опробован в 52 лавах Карагандинского (25), Кузнецкого (17) и Донецкого (10) бассейнов; способ гидрообработки - в 59 лавах Печорского (46), Донецкого (3), Кузнецкого (8) и Карагандинского (2) бассейнов; способ принудительного первичного обрушения кровли - в 14 лавах Воет. Донбасса; способ взрывогидрообработки - в 5 лавах п/о Сахалину голь;
"Временная инструкция..." составлена на основе обобщения результатов исследований, опыта практического применения различных способов и использования следующих ранее разработанных нормативно-методических документов.
1. Методика предварительного выявления угольных пластов с тяжелыми и неустойчивыми кровлями. (Изд. ЕНИМИ, Л., 1973). Разработана ЕНИМИ.
2. Каталог пологих пластов и участков с тяжелыми кровлями в угольных бассейнах СССР. (Изд. ЕНИМИ, Л., 1974). Составлен ЕНИМИ совместно с КНИУИ, Дечорниипроект, Шахтниуи, ПНИУИ, Кузину и и ИГД им. А.А.Скочинского.
3. Руководство по управлению труднообрушаемыми кровлями методом передового торпедирования. (Изд. КНИУИ, Караганда, 1974). Разработано КНИУИ, Карагандинским отделением Востнии и комбинатом Карагандауголь.
4. Руководство по применению способа управления трудно-обрушаемыми кровлями гидрообработкой породного массива в Дечор-сксы бассейне. (Изд. Дечорниипроект, Воркута, 1975). Разработано Дечорниипроект и п/о Воркутауголь.
5
I. ПОЛОГИЕ УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ С ТРУДНООБРУШАЕМЬШ КРОВЛЯМИ.
I.I. Замечания о терминологии.
Выбор способа управления кровлей и паспорта крепления очистных выработок производится в зависимости от устойчивости, обрушаемости, нагрузочных свойств и управляемости кровли.
Устойчивость и обруша&мость являются важнейшими интегральными свойствами кровли. По существу они характеризуют общее свойство - способность кровли разрушаться. Поэтому их количественные характеристики обусловлены одинаковыми природными факторами: толщиной слоев*^ прочностью пород, интенсивностью естественной трещиноватости, глубиной залегания, углом падения. Применительно к очистным выработкам эти термины имеют самостоятельное значение, так как относятся к различным слоям кровли, оцениваются количественно различными параметрами и используются при решении различных задач.
1.1*2. Устойчивость - способность самых нижних слоев кровли не обрушаться (не выпадать) в пределах поддерживаемого крепью пространства. Устойчивость количественно оценивают размерами обнажений и продолжительностью устойчивого их состояния. Неустойчивые кровли надо характеризовать также суммарной толщиной слоев, которые сбрушаются при потере устойчивости. Устойчивость нижних слоев обусловливает требования к полноте затягивания кровли, допускаемым размерам обнажений между крепью и забоем за выемочной малиной, между рамами и секциями крепи, приемам управления начальным распором. Применительно к решению задач управления кровлей механизированными крепями кровли подразделяются на два основные класса: неустойчивые кровли ( с выделением среди них подкласса весша неустойчивых и ложных) и кровля средней и выше средней устойчивости. 3 1973-1974 гг. 1ШМИ совместно с бассейновыми НИИ составлен "Каталог пологих дластоЕ с
*) Толщина слоев зависит от расстояния между смежными слабыми контактами и прослоями, по которым происходит расслоение толщ пород.
6
неустойчивыми кровлями по основным угольным бассейнам СССР"
(Изд. БНИМИ, Л., 1975). На пластах с неустойчивыми кровлями в этот период было 6756 лав. Пологие угольные пласты, не вошедшие в "каталог", ко разрабатывавшиеся в тот период, имеют кровли средней и вшпе средней устойчивости (33£ лав),
1.1.2. Обрушаемость - способность совокупности слоев непосредственной и основной кровли разрушаться над поддерживаемым пространством и обрушиться за его пределами, Обрушаемость количественно оценивают размером блоков (кусков), на которые разрушаются слои непосредственной и основной кровли, предельными пролетами при первых обрушениях той и другой кровли (шагом первичного обрушения), площадью обнажений перед первичным обрушением, предельной длиной зависающих консолей при последующих обрушениях (шагом вторичных обрушений) и суммарной мощностью пачки обрутсающнхся слоев непосредственной кровля (высотой зоны обрушения). По обрушаемости ВШШ разделяет кровли на два класса с выделением нескольких подклассов в каждом классе. Первый класс практически повторяет широко известную классификацию
б.БУГИ. При этом классы в классификации б.БУГИ понимаются как подклассы I класса в классификация ВИШИ. Ко второму классу отнесены кровли, представленные толстыми ( от 2 до 20 м) сравнительно прочными слоями, разрушающиеся на блоки, длина которых при вторичных обрушениях может изменяться в широких пределах: от равной или кратной ширине захвата выемочных машин до в три и более раза превышающей толщину слоя. Подклассы в этом классе выделяются по следующим соотношениям.
I. 1.2.1. По отношению длины блоков (I ) к высоте (Ь): при О -= ^ -= I - узкоблочное разрушение,
при I -в 2 - короткоблочное разрушение,
при -jjj* > 2 - душшюблочное разрушение.
Системы узких и коротких блоков перемещаются, в основном, в виде взаимного проскальзывания, системы длинных блоков- з виде взаимного разворота.
1.1.2.2. По отношению высоты блока (К/) к вынимаемой мощности угольного пласта (nv) ( при узкоблочном разрушешш):
7
при — *s 2 - блоки систематически выпадают за крепью;
Ь
при 2 < ^ ^ 5 - создаются прочные системы блоков, которые (арки) периодически разрушаются с резким проседанием,
и
при > 5 - создаются устойчивые арочные системы (эффект
плавного опускания со ступенями в кровле).
Детальное разделение каждого класса на подклассы позволяет более полно представить варианты схем разрушения и перемещения труднообрушаемых кровель и выявить для наиболее тяжелых схем примерные величины ожидаемых нагрузок, которые должны уравновешиваться крепями.
I.I.3. Нагрузочные свойства кровли - способность кровли создавать внешние активные нагрузки на крепи. Внешней активной нагрузкой называется нагрузка, создаваемая весом пород, постоянно или периодически теряющих собственную несущую способность. Если крепь не в состоянии уравновесить вес этих пород, то перемещение их в сторону почвы выработки превысит допустимые величины и закончится зажатием крепи. Нагрузочные свойства должны оцениваться количественно как ожидаемая или фактическая нагрузка, которая должна уравновешиваться или уравновешивается крепью. Ожидаемую нагрузку с тем или шш приближением можно получить аналитически или по результатам моделирования. Фактическая нагрузка оценивается по результатам специальных измерений в шахтах. По нагрузочным свойствам кровли рекомендуется подразделять на тяжелые и лёгкие. Это разделение условное. Тяжелши называются кровли, при которых по мере подвигания очистных забоев периодически создаются внешние активные нагрузки, превышающие номинальное (ГОСТ 15852-70) сопротивление современных механизированных крепей. Повышенные внешние активные нагрузки создаются на угольных пластах с труднообрушаеынми кровлями. Лёгкими называются кровли, при которых по мере подвигания очистных забоев не создаются активные нагрузки, превышающие номинальное сопротивление современных механизированных крепей. Количество лав на пологих пластах с легкими кровлями составляет примерно 88%, с тяжелыми - 12%.
8
I*t*4. Управляемость - способность кровли подвергаться воздействию комплекса практических мероприятий, предотвращающих выпадение (высылание) пород в поддерживаемое пространство, зажатие крепей, завалы лав и обеспечивающих безопасность труда.
По управляемости кровли рекомендуется делить па легкоуправляемые и трудноуправляемые. К легксуправляемш относятся легкие кровли с нижними слоями средней п выше средней устойчивости. Удельный вес лав ка угольных пластах с такими кровлями составляет примерно 282. К трудноуправляемым относятся кровли неустойчивые ( 80% лаз), труднообрушаемыо (5%) и труднообрушаемые в сочетании с неустойчивыми нижними слоями ( 72).
1.2. Основные признаки угольных пластов с труднообрушае-мьаш кровлями. Порядок отнесения кровель к числу подлежащих разупрочнению.
1.2.1. Труднсобрушаемне породы в угольных бассейнах ССОР представлены песчаниками (892), песчанистыми сланцами (62) известняками (22), алевролитами (22) и плотными глинами (12). Мощность пластов песчаника 4-II0 м, известняка 6-IG м, песчанистого сланца 11-45 м, алевролита 9-30 м. Прочность песчаников при растяжении от 20-25 до I СО-130 кгс/см2, при сжатии 500 -
- I5C0 кгс/см** (Карагандинский, Кузнецкий и Печорский бассейны), 600-3000 кгс/см2 (Донбасс). Прочность песчанистых сланцев и алевролитов при сжатии 600 - 800 кгс/см2.
1.2.2. Признаками трудной обрушаемости являются: зависание труднообруоаемых слоев за крепью, значительный шаг первичного (25-120 м) и вторичного (10-100 м) обрушения, большие размеры элементов, на которые разрушаются слои пород (наименьший линейный размер более 1,5-2,0 м), преобладание форм элементов в виде неправильных призм и параллелепипедов с не плоскими z неровная? гранями, проявление сильных звуковых эффектов и воздушных ударов. На рис.1 показаны гистограммы распределения наименьших I и наибольших 2 шагов первичного (а) и вторичного (б) обрушения.
1.2.3. Основным количественным геологическим признаком угольных пластов с труднообрушаемой кровлей является отношение суммарной мощности пачки легкообрушающихся слоев ( Ь? ) к вынимаемой мощности угольного пласта (nv). При — -=• 3,5 кровля пласта относится к труднообрушаемой.
9