Про затвердження Інструкції з забезпечення стійкості дільничних виробок для повторного використання на вугільних шахтах

Відповідно до статті 18 Гірничого закону України, пункту 8 Положення про Міністерство енергетики України, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від 17 червня 2020 року № 507, з метою забезпечення максимально можливої виїмки корисних копалин при сучасних технологіях, підтримання діючих гірничих виробок та оптимізації експлуатаційних витрат та створення системи заходів щодо безпечної діяльності під час проведення гірничих робіт, НАКАЗУЮ:

1. Затвердити Інструкцію з забезпечення стійкості дільничних виробок для повторного використання на вугільних шахтах, що додається.

2. Управлінню охорони праці, промислової безпеки та цивільного захисту забезпечити подання цього наказу на державну реєстрацію до Міністерства юстиції України у встановленому законодавством порядку.

3. Цей наказ набирає чинності з дня його офіційного опублікування.

4. Контроль за виконанням цього наказу покласти на Першого заступника Міністра ВЛАСЕНКА Юрія.

1. Ця Інструкція регламентує склад, характеристики, порядок і технологію кріплення та охорони виробок для їх повторного використання на вугільних шахтах.

2. Вимоги цієї Інструкції є обов'язковими для суб'єктів господарювання (шахт) всіх форм власності.

3. Дія цієї Інструкції не поширюється на:

магістральні гірничі виробки;

дільничні виробки, що використовуються для відпрацювання тільки однією лавою;

вертикальні гірничі виробки;

виробки, що закріплені виключно анкерами без встановлення рамного кріплення;

нарізні та очисні виробки.

4. У цій Інструкції терміни вживаються у таких значеннях:

дільнична виробка - виробка, що межує з підготовленим до виїмки вугільним пластом;

кріплення - інженерна конструкція у виробці, що взаємодіє з оточуючими породами і призначена для підтримання в допустимих межах форми та розмірів поперечного перерізу виробки;

лава - очисна горизонтальна або похила гірнича виробка;

лита смуга - охоронна споруда, зведення якої передбачає розміщення пустих пакетів між рядами органного кріплення і їх подальше заповнення швидкотвердіючою водно-мінеральною сумішшю;

накатна смуга - охоронна споруда з паралельних, щільно вкладених в ряд дерев'яних колод, що пошарово зі зміною напрямку їх орієнтації заповнюють проміжок між покрівлею і підошвою відпрацьованого вугільного пласта;

органне кріплення - охоронна споруда з одного або декількох прямолінійних рядів стояків, встановлених один біля одного на відстані, що не перевищує їх діаметру;

охоронна споруда - конструкція, що зводиться на заміну видобутого шару вугілля в відпрацьованому просторі після проходу лави на межі з виробкою повторного використання;

пакетована смуга - охоронна споруда, зведення якої передбачає викладення пакетів із сухою швидкотвердіючою цементно-мінеральною сумішшю між рядами органного кріплення і подальше додавання води в суміш через голчастий ін'єктор;

повторне використання дільничної виробки - комплекс технологічних заходів, що забезпечує підтримання необхідного поперечного перерізу виробки і її безпечну експлуатацію при відпрацюванні двох суміжних очисних вибоїв;

проведення гірничої виробки - комплекс робіт, що включає руйнування та видобуток гірських порід з подальшим встановленням кріплення в межах контуру площі поперечного перерізу виробки;

рамно-анкерне кріплення - система регулярно розміщених вздовж виробки збірних піддатливих металевих конструкцій, що контактують з її контуром сумісно з закріпленими в шпурах по периметру виробки металевими стрижнями, які перетинають зону порушених порід;

ремонтно-відновлювальні роботи - комплекс заходів по збільшенню площі поперечного перерізу виробки для повторного використання до необхідних за технологічними вимогами розмірів та відновлення елементів кріплення;

стійкість гірничої виробки - здатність виробки функціонувати в певних умовах із заданими параметрами протягом необхідного відрізка часу.

5. Виробки для повторного використання зазнають впливу від двох лав. При цьому кількісні і якісні характеристики даного впливу постійно змінюються, що обумовлює необхідність змін і адаптування структури кріплення в процесі експлуатації виробки.

6. В умовах постійного зростання гірського тиску на контурі виробки при наближенні лави та її віддаленні для підтримання виробки в експлуатаційному стані має бути реалізована концепція створення комбінованої охоронної конструкції зростаючого опору.

7. Охоронна конструкція зростаючого опору не може бути реалізована на основі одного виду кріплення, а вимагає комплексу засобів як постійного, так і тимчасового використання.

8. Основою комбінованої охоронної конструкції для умов українських вугільних шахт є комбіноване рамно-анкерне кріплення. Застосування лише одного виду кріплення, рамного чи анкерного, може бути доцільним лише в обмеженій кількості випадків - при винятково сприятливих умовах ведення гірничих робіт.

9. Покращення деформаційно-силових характеристик елементів комбінованої охоронної конструкції для підтримання виробок повторного використання повинно досягатись не за рахунок збільшення їх вагогабаритних показників, а шляхом використання нових матеріалів та нетрадиційних технічних рішень.

10. Закономірність зміни геомеханічних умов при наближенні кожної з лав обумовлює поетапне формування комбінованої охоронної конструкції для підтримання виробки повторного використання.

11. Якісний склад та кількісні характеристики елементів комбінованої охоронної конструкції визначаються сукупністю гірничо-геологічних умов, прийнятою технологією ведення гірничих робіт та економічними чинниками.

1. Умови експлуатації виробок, призначених для повторного використання, діляться на три типи: легкі, середні і важкі.

2. Оцінку умов експлуатації здійснюють за величиною комплексного показника Тета що визначається за формулою:

див. зображення

див. зображення

3. Міцність Ri кожного шару визначають за даними лабораторних випробувань Ri* з урахуванням структурної порушеності масиву шляхом введення коефіцієнта структурного послаблення kс та обводненості виробки введенням коефіцієнта послаблення kв

див. зображення

Величину безрозмірного коефіцієнта структурного послаблення kс визначають згідно з таблицею 1.

4. Величину зниження міцності для порід покрівлі та підошви вугільного пласта враховують введенням поправочного коефіцієнта kв, що визначається згідно з таблицею 2.

5. Категорії виробки для повторного використання за величиною комплексного показника Тета визначають згідно з таблицею 3.

6. При суттєвій різниці в показниках міцності порід для різних ділянок шахтного поля категорію складності визначають окремо для кожної ділянки.

1. Для врахування взаємного положення фронту очисних робіт у суміжних лавах виділено наступні геомеханічні зони:

1 - впливу підготовчого вибою;

2 - опорного тиску попереду першої лави;

3 - інтенсивного осідання масиву позаду першої лави;

4 - опорного тиску попереду другої лави;

5 - інтенсивного осідання масиву позаду другої лави.

див. зображення

Положення і характеристики вказаних геомеханічних зон представлено на малюнку 1 і в таблиці 4.

Проєктні рішення з вибору способів і засобів підтримання виробки приймають за величиною очікуваних зміщень порід на її контурі. Повне вертикальне зміщення Uп дільничної виробки для повторного використання визначають з урахуванням умов її підтримання після проходу першої лави та погашення після проходу другої лави. Тому Uп дорівнює сумі зміщень, що відбуваються при перебуванні виробки в геомеханічних зонах 1 - 4.

Точність виконання розрахунків визначається точністю вихідних даних (міцність порід, лінійні розміри породних шарів, глибина тощо). Кінцеве значення розрахованого зміщення визначається з точністю не більше, ніж 1 см.

2. Розрахунки виконують у наступній послідовності:

1) визначають коефіцієнти ki впливу положення породних шарів у підошві та покрівлі виробки на їх міцність Ri за формулою:

2) визначають середньозважену міцність порід покрівлі Rпк та підошви Rпд виробки за формулою:

3) визначають середню міцність порід навколо виробки:

4) визначають емпіричний коефіцієнт стійкості гірських порід:

5) визначають коефіцієнт Ks впливу ширини b [м] виробки:

6) визначають коефіцієнт KH впливу глибини розробки H [м]. Для виробки, яку підтримують попереду і позаду очисних вибоїв:

7) визначають сумарне зміщення покрівлі та підошви при проведенні гірничої виробки у гірському масиві, м:

8) визначають сумарне зміщення покрівлі та підошви попереду вибою першої лави, м:

9) розраховують сумарне зміщення покрівлі та підошви при підтриманні виробки після проходження першої лави, м:

10) значення коефіцієнта KO впливу охоронної споруди на сумарне зміщення виробки розраховують за формулою:

11) зміщення U2 попереду вибою другої лави визначають за формулою, м:

12) повне вертикальне зміщення контуру виробки з врахуванням всіх етапів її експлуатації визначають як суму зміщень на окремих етапах, м:

13) абсолютне зміщення покрівлі визначають згідно з виразом, м:

14) абсолютне зміщення підошви визначають згідно з виразом, м:

3. Приклад розрахунку комбінованої охоронної конструкції, призначеної для повторного використання, наведено у додатку 1 до цієї Інструкції.

1. Головними факторами, що ускладнюють підтримання виробок для повторного використання є:

вплив від очисних робіт у суміжних виїмкових стовпах;

тектонічна порушеність породного масиву;

зони підвищеного гірського тиску від вугільних ціликів та попередньо відпрацьованих суміжних вугільних пластів;

ділянки підвищеної обводненості масиву;

зони зміни літологічного складу порід покрівлі та (або) підошви пласта.

2. Вплив очисних робіт в суміжних виїмкових стовпах суттєво знижує стійкість дільничних виробок. Для запобігання зниження експлуатаційної надійності виробки послідовність відробки вугільного пласта повинна бути не менш, ніж через один виїмковий стовп.

3. Наявність в масиві геологічних порушень суттєво погіршує умови підтримання виробок для повторного використання. Вказаний фактор має бути врахований при розрахунку схем та параметрів кріплення шляхом введення коригувального коефіцієнта kс згідно з таблицею 1.

4. Експлуатація виробок в зонах підвищеного гірського тиску супроводжується збільшенням деформацій контуру виробки та охоронних конструкцій. Паспорт підсиленого кріплення виробок у таких зонах повинен передбачати збільшення нормативного навантаження в 1,2 рази.

5. Підвищена вологість гірських порід є причиною зниження їх міцності, що спричиняє зростання деформацій контуру виробки. Величину зниження міцності для типових порід покрівлі та підошви вугільного пласта враховують введенням поправочного коефіцієнта kв, що визначається згідно з таблицею 2.

6. Зміна літологічного складу порід покрівлі завжди супроводжується погіршенням стану виробок, а в зонах виклинювання спостерігається схильність порід до вивалоутворення. Перелік негативних факторів та умовні позначення експлуатаційних характеристик виробок та критерії їх оцінки наведено у додатку 2до цієї Інструкції. Гірничо-геологічні характеристики найбільших вугільних шахт наведено у додатку 3 до цієї Інструкції.

7. При розробці паспортів кріплення в зонах зміни літології необхідно орієнтуватись на застосування рамно-анкерного кріплення з коефіцієнтом запасу несучої здатності 1, 2.

8. При підготовці зближених вугільних пластів на спільні (групові) магістральні виробки виникає необхідність відхилення дільничних виробок для повторного використання від площини вугільного пласта. Ділянки виходу з площини пласта характеризуються підвищенням гірського тиску та його проявами в формі обвалення порід покрівлі. При розробці паспортів кріплення вказані ділянки прирівнюють до зон зміни літологічного складу порід.

1. Система збереження стійкості дільничних виробок для повторного використання передбачає три основні етапи кріплення:

рамно-анкерне кріплення при проведенні гірничої виробки, що є основним;

підсилення основного кріплення канатними анкерами при підході лави;

зведення охоронної споруди після проходу першої лави.

2. На першому етапі, при проведенні гірничої виробки, завдяки застосуванню анкерів у її покрівлі формується стійке породно-анкерне перекриття, чим забезпечується мінімізація зміщення контуру виробки поза зоною впливу очисних робіт.

3. На другому етапі виконують підсилення створеного раніше породно-анкерного перекриття з врахуванням опорного тиску при підході першої лави. Це здійснюють шляхом підхоплення попередньо заанкерованої породної товщі в межах куполу обвалення до стійких ділянок породного масиву з використанням канатних анкерів глибокого закладання довжиною не менше 6 м. Анкери мають положення, близьке до вертикального і з'єднані прямою балкою із спецпрофілю. При цьому також вирішується завдання об'єднання опору всіх елементів кріплення. У випадку слабких порід підошви пласта на другому етапі необхідна також установка анкерів в берму нижнього підривання виробки.

4. На третьому етапі в зоні сполучення з лавою поблизу контуру виробки зводять охоронну споруду, яка має вирішити наступні завдання:

прийняти на себе навантаження від ваги порід покрівлі пласта після його виймання;

сприяти "обрізанню" підробленого масиву за межами сформованого перекриття зі збереженням його рівноваги;

запобігти асиметричності навантаження кріплення виробки;

звести до мінімуму просідання, а відтак, і руйнування стійкого перекриття;

зменшити інтенсивність тріщиноутворення у покрівлі виробки на межі з виробленим простором лави;

сприяти стійкому стану бермової частини контуру виробки;

мінімізувати здимання підошви виробки;

запобігти витоку свіжого струменю повітря у вироблений простір лави.

5. При зведенні охоронної споруди на третьому етапі в особливо складних гірничо-геологічних умовах після відновлення стояка рамного кріплення необхідне додаткове підсилення у вигляді встановлення одного чи двох рядів дерев'яних стійок під хомути рамного кріплення, що з'єднують стояк з верхняком.

1. На першому етапі кріплення стійкість виробок забезпечується застосуванням рамно-анкерного кріплення (малюнок 2).

див. зображення

Визначають умови роботи кріплення і з таблиці 6 вибирають відповідне значення безрозмірного параметра альфа.

Висоту склепіння порід, що розшарувалися, hск визначають за формулою:

Для виробки, що підтримують попереду і позаду очисного вибою, hск після проходу лави визначають за формулою:

Навантаження P1 на 1 погонний метр кріплення розраховують з виразу:

Крок s встановлення рам визначають згідно виразу:

На останньому етапі експлуатації дільничної виробки

У випадку, коли крок s перевищує 0,8 м, для виробок повторного використання його зменшують до вказаного значення.

Негативний вплив на стійкість виробок повторного використання спричиняють вібрації конвеєра. Найбільшим чином він проявляється в зоні інтенсивних зміщень позаду першої лави та в зоні підходу другої лави. Доцільно після відпрацювання першої лави перенести конвеєрну лінію в іншу виробку.

Для забезпечення роботи рамного кріплення безпосередньо після його встановлення необхідно здійснювати його розклинювання відрізками дерев'яного бруса не менш як в п'яти місцях відповідно до малюнка 2.

Тип рамного кріплення вибирають, виходячи з конкретних гірничо-геологічних умов. Найбільш поширеними типами є КМП та КШПП з використанням спецпрофілів СВП-22, СВП-27 та СВП-33. Технічні характеристики металокріплення КШПП із замками ЗПК наведено удодатку 4 до цієї Інструкції.

Затяжка рамного кріплення має відповідати наступним вимогам:

витримувати навантаження без руйнування та втрати несучої здатності;

зберігати експлуатаційні характеристики при довготривалому обводненні;

огороджувати виробку від вивалювання зруйнованих порід контуру;

протидіяти радіальним деформаціям контуру виробки між рамами;

мати просту технологію монтажу та невисоку вартість.

Затяжку верхняка рами виконують дерев'яними дошками (обаполами) завтовшки не менше 40 мм.

Для затягування бокових поверхонь рам потрібно використовувати металеву або полімерну сітку-затяжку. В породах, не схильних до висипання, допускається застосування сітки-затяжки по всьому контуру виробки.

Основним типом металевої сітки-затяжки на шахтах є ЗМР, що налічує близько 50 модифікацій. Широкий діапазон розміру комірки (від 25 x 25 мм до 100 x 100 мм), товщини проволоки (від 4,0 до 6,5 мм) та розмірів елемента затяжки (від 500 x 500 мм до 1115 x 2015 мм) дає змогу вибрати необхідний варіант для будь-яких параметрів рамного кріплення.

Важливим фактором забезпечення стабільної роботи рамного кріплення є вибір замка. Характеристики деяких типів замкових з'єднань наведено в таблиці 7.

Області застосування замків для кріплення КМП та КШПП з використанням профілю СВП різняться. Замки ЗПК, ЗПК-м доцільно застосовувати при з'єднанні елементів кріплення дільничних виробок, де зміщення порід більше 200 мм. Замки ЗШ застосовують у виробках з незначним зміщенням (150 - 200 мм) та з підвищеним тиском гірських порід.

Підтягування замкових з'єднань проводять щозміни перед виконанням робіт з проведення гірничої виробки. Довжина ділянки підтягування має становити не менше 5 м від тупика виробки. Момент сили для затягування гайок замкових з'єднань має бути встановлено паспортними даними рамного кріплення. Його типове значення становить 350 Н·м.

Для механізації затягування гайок використовуються гайковерти з пневматичним чи гідравлічним приводом. Дані про деякі з них наведено в таблиці 8.

При відновленні стояка кріплення після проходу першої лави параметри замкового кріплення такі ж як і при проведенні гірничої виробки.

У випадку, коли розрахунок кроку s рамного кріплення показав, що його значення менше від 0,8 м, обов'язковим є використання анкерного кріплення.

Застосування анкерного кріплення є доцільним для збільшення кроку між рамами і зменшення, таким чином, металоємності конструкції.

Поперечний переріз, в якому встановлюють анкери, розташовують посередині між рамами відповідно до малюнка 3.

див. зображення

При слабких породах підошви необхідне додаткове встановлення анкерів в бермову частину контуру виробки.

Вплив анкерного кріплення на породний масив еквівалентний збільшенню міцності шарів порід, у яких встановлені анкери. Еквівалентну міцність порід Ria кожного такого шару визначають за формулою:

див. зображення

див. зображення

У випадку проміжних значень несучої здатності анкера для знаходження коефіцієнта Кз використовують метод лінійної інтерполяції.

Початкове значення щільності Nа встановлення анкерів приймати таким, що дорівнює 1 анкер на м-2.

Визначивши коефіцієнти Кз та Кд, з врахуванням формул (2) та (20), вираховують еквівалентну середньозважену міцність порід Ra.

Довжину анкера вибирають такою, щоб вона на 400 - 600 мм перевищувала розміри зони розшарування порід.

Повторюють весь цикл розрахунку кроку s встановлення рам, замінивши попереднє значення міцності порід R на Ra для шарів порід, у яких встановлені анкери.

При необхідності нового вибору значення параметра Nа змінюють в потрібну сторону співвідношення між рамним та анкерним кріпленням і шляхом послідовних наближень домагаються оптимальної для конкретних умов комбінації рамно-анкерного кріплення.

При остаточно визначеному значенні параметра Nа обраховують відстань g між анкерами в поперечному перерізі за формулою:

Кількість анкерів nан без врахування можливих додаткових анкерів в бермовій частині визначають згідно виразу:

2. На другому етапі кріплення за 40 - 60 м до лави (відстань l1 ) по осі виробки встановлюють підсилююче кріплення у вигляді гідростояків чи дерев'яних ремонтин.

У зоні сполучення "штрек-лава" в бермову частину контуру виробки встановлюють додатковий металополімерний анкер з нахилом вниз під кутом до горизонту приблизно 25о.

Основним засобом підсилення кріплення при наближенні першої лави є встановлення анкерного кріплення другого рівня у вигляді канатних анкерів з підхопленням рам несучою балкою (система 2РА).

Основні елементи системи 2РА представлені на малюнку 6.

Канатні анкери встановлюють проміж рам основного кріплення.

Система 2РА виконує наступні функції:

забезпечення зв'язку порушених порід в межах склепіння над виробкою з більш віддаленим непорушеним масивом;

синхронізація вертикальних зміщень рамного кріплення з опусканням покрівлі в зоні опорного тиску;

забезпечення безпеки робіт після зняття стояка рамного кріплення при підході першої лави.

При веденні гірничих робіт в легких та середніх умовах канатні анкери в сукупності з активною балкою встановлюють лише з боку лави на відстані 0,3 - 1,0 м від замка.

При веденні робіт у важких умовах елементи системи 2РА встановлюють симетрично відносно вертикальної осі виробки (малюнок 6).

див. зображення

а)

див. зображення

б)

Для механізації процесу встановлення канатних анкерів доцільно використовувати гідравлічний анкероустановник.

Характеристики деяких типів канатних анкерів, що застосовують на шахтах, представлені в таблиці 9.

Конструкція анкера АК01-М представлена на малюнку 7.

див. зображення

Система 2РА може частково втрачати свою працездатність після проходження лави. Це виражається в послабленні та провисанні канатних анкерів відносно активної балки. Доля ослаблених анкерів може доходити до 20 %.

Ослаблення та провисання канатних анкерів відносно прямолінійних відрізків спецпрофілю активної балки обумовлені:

наявністю порожнин за кріпленням;

нещільним приляганням активної балки до внутрішнього контуру рам.

Для попередження ослаблення необхідно забезпечити якісне розклинювання активної балки в місцях її дотику до рам.

У випадку, коли провисання обумовлені змиканням порожнин породного масиву, через який проходить анкер, необхідно виконати його додаткову обтяжку чи зменшити ефективну довжину. Анкери АК01-М дозволяють зменшити ефективну довжину канату шляхом переміщення натяжної системи 3. Фіксацію нового положення здійснюють з використанням конусної втулки 2.

3. Послідовність виконання етапів кріплення виробок повторного використання відповідає концепції поступового наростаючого опору всієї комбінованої охоронної системи.