"РД 05-313-99. Инструкция о порядке контроля за выделением газов на земную поверхность при ликвидации (консервации) шахт" (утв. Постановлением Госгортехнадзора РФ от 11.10.1999 N 72)

2. Методика прогноза участков земной поверхности, угрожаемых по выделению газов

2. Методика прогноза участков земной поверхности,

угрожаемых по выделению газов

2.1. Для определения угрожаемых по выделению газов участков поверхности необходимо рассмотреть и проанализировать следующую документацию:

планы развития горных работ по угольным пластам;

планы поверхности;

геологические карты с указанием водоносных и газоводоносных пород;

геологические разрезы вкрест и по простиранию пород;

данные за последние 3 - 5 лет о случаях выделения газов в производственные здания и помещения, а также в жилые дома и прилегающие к ним постройки и погреба;

данные о подземных пожарах за весь срок существования шахты, в том числе потушенных (списанных) и действующих.

2.2. Для пород средней крепости и размеров обнажений, вызвавших сдвижение поверхности, стабилизация уплотнения обрушившейся толщи пород происходит через 4 - 6 лет, после чего подработанная толща пород приобретает свои естественные свойства. Таким образом, общая продолжительность периода после отработки выемочных участков, в течение которого газы могут накапливаться в пустотах и в определенных условиях (при перепадах атмосферного давления либо под напором воды при затоплении горных выработок шахты) выделяться по трещинам на поверхность земли, принимается 5 лет.

Общий объем газов, содержащихся в выработанном пространстве, равен объему пустот в отработанном пространстве. Этот объем газов при ликвидации (консервации) шахты "мокрым" способом будет вытеснен водой на земную поверхность через образовавшиеся трещины, в результате чего могут быть загазированы жилые дома с прилегающими к ним постройками и промышленные сооружения.

2.3. Границы зоны трещин (провалов, воронок) на плане поверхности определяются углами разрывов, а протяженность газопроводящих трещин в вертикальной плоскости определяется безопасной глубиной, ниже которой исключается проникновение газов на земную поверхность в соответствии с "Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях" (М., 1981).

2.4. Под безопасной глубиной разработки по газовому фактору под жилыми и производственными помещениями понимается минимальная величина, при которой зона газопроводящих трещин, образующихся над выработанным пространством, не достигает земной поверхности.

Безопасная глубина разработки по газовому фактору принимается по аналогии с водными объектами, величины безопасной глубины разработки для которых установлены наиболее достоверно. Безопасная глубина разработки отсчитывается от нижней границы объекта по вертикали и для одного пласта определяется следующим образом:

при h >= 2 m и m <= 3,5 м - по табл. 2.1;

г

при h >= 2 m и m > 3,5 м - принимается равной 20 m;

г

при h < 2 m и m < 4 м - по табл. 2.2;

г

при h < 2 m и m > 4 м - по формуле:

г

_____

H = H' \/m / 2,

б б

где:

h - мощность залегающих под водным объектом глинистых наносов или

г

пород, аналогичных им по физико-механическим свойствам, м;

m - вынимаемая мощность пласта, м;

H' - безопасная глубина разработки при m = 2 м (табл. 2.2).

б

Таблица 2.1

БЕЗОПАСНАЯ ГЛУБИНА РАЗРАБОТКИ, М, ПРИ h >= 2 m И m <= 3,5 м

г

┌───────┬────────────────────────────────────────────────────────┐

│ m, м │ Минимальная мощность глинистых наносов h , м │

│ │ г │

│ ├────────┬────────┬────────┬────────┬─────────┬──────────┤

│ │ 2 - 4 │ 5 - 6 │ 7 - 8 │ 9 - 10 │ 11 - 15 │ более 15 │

├───────┼────────┼────────┼────────┼────────┼─────────┼──────────┤

│<= 1 │40 │35 │30 │30 │25 │20 │

├───────┼────────┼────────┼────────┼────────┼─────────┼──────────┤

│1,5 │60 │50 │45 │40 │35 │30 │

├───────┼────────┼────────┼────────┼────────┼─────────┼──────────┤

│2,0 │75 │60 │55 │50 │45 │40 │

├───────┼────────┼────────┼────────┼────────┼─────────┼──────────┤

│2,5 │- │65 │60 │55 │50 │50 │

├───────┼────────┼────────┼────────┼────────┼─────────┼──────────┤

│3,0 │- │70 │65 │60 │60 │60 │

├───────┼────────┼────────┼────────┼────────┼─────────┼──────────┤

│3,5 │- │- │70 │70 │70 │70 │

└───────┴────────┴────────┴────────┴────────┴─────────┴──────────┘

Таблица 2.2

БЕЗОПАСНАЯ ГЛУБИНА РАЗРАБОТКИ, М, ПРИ h < 2 m И m <= 4 м

г

┌────────┬───────────────────────────────────────────────────────┐

│ m, м │ Средняя мощность аргиллитов, алевролитов и глинистых │

│ │ сланцев в процентах от мощности подрабатываемой толщи │

│ ├──────────┬───────────┬──────────┬──────────┬──────────┤

│ │ 0 - 20 │ 21 - 40 │ 41 - 60 │ 61 - 80 │ 81 - 100 │

├────────┼──────────┼───────────┼──────────┼──────────┼──────────┤

│<= 1 │60 │55 │50 │45 │40 │

├────────┼──────────┼───────────┼──────────┼──────────┼──────────┤

│1,5 │90 │80 │75 │70 │60 │

├────────┼──────────┼───────────┼──────────┼──────────┼──────────┤

│2,0 │115 │105 │95 │85 │80 │

├────────┼──────────┼───────────┼──────────┼──────────┼──────────┤

│2,5 │125 │115 │105 │95 │85 │

├────────┼──────────┼───────────┼──────────┼──────────┼──────────┤

│3,0 │140 │130 │115 │105 │90 │

├────────┼──────────┼───────────┼──────────┼──────────┼──────────┤

│3,5 │150 │140 │125 │110 │95 │

├────────┼──────────┼───────────┼──────────┼──────────┼──────────┤

│4,0 │160 │150 │135 │120 │105 │

└────────┴──────────┴───────────┴──────────┴──────────┴──────────┘

2.4.1. Безопасная глубина для каждого последующего (второго, третьего

и т.д.) пласта (слоя) определяется, как для одиночного пласта (без учета

ранее отработанных пластов или слоев), если под водным объектом залегают

глина, суглинки или породы, аналогичные им по физико-механическим

свойствам, мощностью не менее величины M, определяемой из выражения:

M = 2 (m + m + ... + m ), (2.1)

1 2 n

где m , m , ..., m - вынимаемые мощности соответствующих пластов или

1 2 n

слоев.

При меньшей мощности глин или суглинков безопасная глубина разработки

для второго и последующих пластов при нисходящем порядке разработки

определяется по формуле:

____________________

/ m + m + ... + m

/ 1 2 n

H = H \/---------------------- + N , (2.2)

б б1 m + [1 + 0,3 (n - 1)] n

n 1

где:

H - безопасная глубина разработки для пласта с порядковым номером

б

(счет от верхнего пласта группы), м;

m , m , ..., m - вынимаемая мощность пласта с соответствующим

1 2 n

порядковым номером, м;

N - расстояние по нормали от рассматриваемого пласта до верхнего

n

пласта группы, м.

2.4.2. Разделение свиты пластов на группы, для каждой из которых

безопасная глубина определяется независимо от других групп, производится из

условия:

за верхний пласт первой группы принимают верхний рабочий пласт свиты;

за верхний пласт каждой последующей группы принимают ближайший к

верхнему пласту вышележащей группы пласт, удаленный от него на расстояние

по нормали не менее величины N , м:

д

┌ ____ ┐

│ /m │

│ / н │

N = H │\/------ - 1│, (2.3)

д бв │ 0,3m │

└ в ┘

где:

H - безопасная глубина разработки для верхнего пласта вышележащей

бв

группы, м;

m - вынимаемая мощность рассматриваемого пласта (верхнего пласта

н

нижележащей группы), м;

m - вынимаемая мощность верхнего пласта вышележащей группы, м.

в

Однако участки, где мощность наносов над выходами возможных путей

миграции метана к поверхности превышает 25 м, в любом случае следует

относить к неопасным по выделению метана.

2.5. За границы зоны трещин на плане поверхности принимается контур,

равный в плане контуру очистной выработки с добавлением участков,

построенных на вертикальных разрезах по углам разрывов дельта", бета",

гамма", бета", омега", фи.

1

Углом дельта" определяются границы зоны трещин по простиранию пласта;

углами бета" и гамма" - вкрест простирания пласта соответственно со стороны

падения и восстания; углом бета" определяются границы зоны трещин в

1

лежачем боку пласта; омега" - угол для определения границы зоны трещин на

противоположном крыле складки или за зоной тектонического влияния;

фи - угол сдвижения в наносах (при фи > 55° - в сухих и нормальной

влажности, фи = 45° - в плывунах и обводненных галечниках).

Значения углов разрывов принимаются в соответствии с "Правилами охраны сооружений и природных объектов..." (М., 1998), а для условий Кузбасса определяются по табл. 2.3 и 2.4. При повторной подработке значения углов разрывов для условий Кузбасса уменьшаются на 5°.

Таблица 2.3

УГЛЫ РАЗРЫВОВ, ГРАД.

┌─────────────────┬────────────────┬──────────────┬──────────────┐

│ альфа, град. │ дельта" │ гамма" │ бета" │

├─────────────────┼────────────────┼──────────────┼──────────────┤

│0 │90 │90 │90 │

├─────────────────┼────────────────┼──────────────┼──────────────┤

│10 - 50 │90 │90 │92-альфа │

├─────────────────┼────────────────┼──────────────┼──────────────┤

│51 - 55 │85 │90 │41 │

├─────────────────┼────────────────┼──────────────┼──────────────┤

│56 - 90 │85 │- │40 │

└─────────────────┴────────────────┴──────────────┴──────────────┘

Таблица 2.4

УГЛЫ РАЗРЫВОВ, ГРАД.

┌───────────────────────┬────────────────────┬───────────────────┐

│ альфа, град. │ бета" │ омега" │

│ │ 1 │ │

├───────────────────────┼────────────────────┼───────────────────┤

│56 - 75 │60 │60 │

├───────────────────────┼────────────────────┼───────────────────┤

│76 - 80 │50 │60 │

├───────────────────────┼────────────────────┼───────────────────┤

│90 │40 │- │

└───────────────────────┴────────────────────┴───────────────────┘

При определении границы зоны газопроводящих трещин допускается сглаживание сложного контура выработанной площади, если размеры выступов контура в плоскости пласта не превышают 0,2 H, но не более 100 м (H - глубина залегания пласта угля на данном участке). При этом сглаживание контура производится по принципу сохранения площади очистной выработки.

2.5.1. При невыдержанном залегании угольных пластов граница зоны трещин от влияния подземных разработок вкрест простирания определяется с учетом изменения углов падения слоев покрывающей толщи пород в следующей последовательности (рис. 2.1 - здесь и далее рисунки не приводятся):

на разрезе вкрест простирания определяют угол падения пласта альфа у нижней границы выработки и по нему находят значение угла разрыва бета";

под углом разрыва бета" проводят линию от границы выработки до

пересечения со слоем толщи пород, угол падения которого альфа в точке

1

пересечения 1 отличается от угла альфа у границы выработки на 10°;

по углу падения альфа в точке 1 находят новое значение угла разрыва

1

бета" и под этим углом проводят линию до пересечения со следующим слоем,

1

угол падения которого альфа в точке пересечения 2 отличается от угла

2

падения альфа на 10°;

1

по углу падения альфа находят новое значение угла разрыва бета".

2 2

Подобным образом строят границы зоны трещин для других слоев толщи до

контура коренных пород с мезозойскими отложениями или наносами (точка 3);

углы бета" и гамма" принимают такими же, как при выдержанном залегании пластов.

2.5.2. При разработке пластов, залегающих в синклинальных складках, границы зоны опасного влияния определяются в соответствии с п. 2.5, если в зону влияния не попадает осевая поверхность складки. В тех случаях, когда в зону влияния попадает осевая поверхность складки, границы зоны опасного влияния на вертикальных разрезах вкрест простирания определяют следующим образом:

при углах падения пород альфа < 30° со стороны восстания (рис. 2.2, а) линией на схеме, проведенной в коренных породах от верхней границы выработки под углом сдвижения гамма" к коренным породам и фи - в наносах;

со стороны падения - линией, проведенной под углом бета" до пересечения с осевой поверхностью складки и далее - под углом гамма" (от выработок 1-го крыла, рис. 2.2, а) до контакта с наносами и под углом фи - в наносах. Значения угла бета" определяются по углу падения пласта у нижней границы выработки;

граница зоны влияния от выработок 2-го крыла на противоположном крыле (рис. 2.2, а) определяется линией, проведенной под углом бета" в коренных породах до пересечения с осевой поверхностью складки и далее под углом гамма" в наносах.

При углах падения пластов на крыльях складки альфа > альфа (альфа >

n

55°, рис. 2.2, в) граница зоны опасного влияния со стороны лежачего бока

определяется углами бета" в коренных породах и в наносах.

1

Со стороны висячего бока граница зоны опасного влияния определяется

линией, проведенной под углом бета" до точки пересечения с осевой

поверхностью складки и далее под углом бета" в коренных породах и углом фи

1

в наносах;

при углах падения пластов на крыльях шарнирной синклинальной складки

(Прокопьевско-Киселевский район Кузбасса) при альфа <= альфа (альфа > 55°,

n

рис. 2.2, б) граница зоны опасного влияния со стороны лежачего бока свиты

определяется углами бета" в коренных породах фи и в наносах.

1

Со стороны висячего бока граница зоны опасного влияния определяется

линией, проведенной под углом бета" до точки пересечения с осевой

поверхностью шарнирной складки и далее под углом омега" в коренных породах

и углом фи в наносах.

При углах падения пород на крыльях в одну сторону (рис. 2.2, г) зона

опасного влияния со стороны падения определяется по углам бета" до

1

пересечения с осевой поверхностью и бета" до пересечения с контактом

II

коренных пород и наносов (бета" - угол, определяемый по углу падения пород

1

на разрабатываемом крыле, а бета" - угол, определяемый по углу падения на

II

противоположном крыле складки).

2.5.3. При подработке разрывных тектонических нарушений зоны опасного

влияния определяют следующим образом:

при подходе очистных работ к нарушению, расположенному со стороны

восстания от выработки на расстоянии 0,1 H и менее (H - расстояние по

1 1

вертикали от точки пересечения сместителя с почвой пласта до земной

поверхности) (рис. 2.3, а), на участке выхода сместителя тектонического

нарушения А' - Б', может возникнуть зона опасного влияния при угле падения

сместителя ДЕЛЬТА > 30° в условии подвижек пород по контактам

напластований. При отсутствии подвижек пород по контактам напластований

зона опасного влияния А' - Б' возникает при угле падения сместителя

нарушения ДЕЛЬТА > 50°, со стороны падения граница зоны опасного влияния

определяется углами сдвижения бета" в коренных породах и фи в наносах;

1

при углах падения пласта альфа > альфа > 30° (55° > альфа > 30°)

n

(рис. 2.3, б), если угол падения сместителя нарушения меньше угла падения

пласта, но не меньше 30° при надработке сместителя, когда расстояние от

границы выработки до точки пересечения с поверхностью сместителя равно или

менее 0,1 H (рис. 2.3, лава 1), а также при подработке сместителя (рис.

1

2.3, б, лава 2) граница зоны опасного влияния в подстилающих породах

располагается в 20 м от выхода нижнего контакта перемятых пород на

поверхность или проекции выхода этого контакта под наносы;

при угле падения осевой плоскости шарнирной складки ДЕЛЬТА = 75 - 90°

и углах падения свиты пластов альфа > альфа (80° > альфа > 55°) (рис. 2.3,

n

в), а также при отношении H / H >= 0,5 в пределах границы зоны

1 альфа

опасного влияния на участке выхода под наносы дробленых пород шарнирной

складки следует ожидать прямую связь этого участка через трещины с

выработанным пространством отработанных пластов (где H - глубина

1

подсечения зоны тектонического влияния складки плоскостью, проведенной под

углом бета", м; H - расстояние в плоскости пласта от контакта коренных

альфа

пород с наносами до нижней границы выемки, м).

2.5.4. При отработке пласта, залегающего в виде антиклинальной

складки, границы зоны трещин от влияния подземных разработок вкрест

простирания определяются следующим образом:

если отрабатывается крыло антиклинальной складки с постоянным или

незначительно (до 10°) изменяющимся углом падения слоев покрывающей толщи

пород и если в зону сдвижения не попадают слои, залегающие в замке складки,

то границы зоны трещин от нижней и верхней границ выработки определяются

углами разрыва бета", бета" и гамма" так же, как и при выдержанном

1

залегании;

если отрабатывается пласт в замке складки по обе стороны от ее оси,

границы зоны трещин определяются углами разрывов бета", бета" (рис. 2.4).

1

2.5.5. Выделение метана на поверхность по осушенным трещинам

подработанной водоносной породы П (рис. 2.5), залегающей выше

разрабатываемого пласта на расстоянии до 60mK по нормали (m - вынимаемая

3

мощность пласта, м; K - коэффициент усадки, определяется по техническому

3

проекту шахты) к пласту, может происходить за пределами зоны опасного

влияния А - Б на участке В - Г. Приток метана на поверхность может

значительно возрасти при затоплении шахты, когда под влиянием

поднимающегося уровня воды метановоздушная смесь, скопившаяся в пустотах

отработанного пространства, будет испытывать некоторое избыточное давление.

При этом установлено, что если в течение трех лет после отработки двух

горизонтов N и N , разгружающих пласт-источник H ниже поверхности

3 4 1

метановой зоны, метановыделение не началось, то и в дальнейшем оно не будет

наблюдаться. Не следует его ожидать и при затоплении шахты.

2.5.6. В районе замковых антиклиналей выделение метана на поверхность

происходит в замковых их частях как по тектоническим трещинам песчаников и

известняков, так и по осушенным водоносным породам.

Горные работы по пласту H (рис. 2.6) вызывают осушение тектонических

1

трещин водоносных пород. Осушению подвергается значительная часть

подработанного и надработанного горного массива, так как в замках

антиклиналей водоносные горизонты гидравлически взаимосвязаны. После

осушения массива ниже поверхности метановой зоны увеличивается его

газопроницаемость и поэтому существенно возрастают масштабы миграции

свободного газа этих структур и метана разгруженных угольных пластов.

Мигрируя по осушенным тектоническим и техногенным трещинам, метан

скапливается в пустотах погашенных горных выработок, например по пласту H

1

(рис. 2.6, б) в замке антиклинали. Замок складки (купола) при наличии

мощных наносов и отсутствии провалов служит естественной "ловушкой"

мигрирующего газа, в том числе и вытесненного водой из нижележащих

горизонтов во время затопления шахты, а погашенные очистные выработки - его

коллектором. За несколько лет оставшиеся в выработанных пространствах в

замке антиклинали (куполе) пустоты полностью заполняются метаном.

Накопившийся газ по естественным трещинам может постепенно дренировать на

земную поверхность. Максимальные притоки метана на поверхность могут

наблюдаться как в дни пониженного барометрического давления, так и при

затоплении шахты, когда под напором воды метановоздушная смесь испытывает

избыточное давление. Резкое выделение больших объемов метана возможно в

периоды выхода провалов по истечении десятков лет после завершения горных

работ. По площади метановыделение приурочено к выходу под наносы замка

антиклинали (купола) при наибольшей вероятности его выделения у шарнира

складки, т.е. эти участки являются опасными по метановыделению.

2.5.7. Угрожаемыми по метановыделению являются участки выхода тектонических нарушений под наносы в соответствии с условиями их подработки, приведенными в п. 2.5.4.

При этом ширину угрожаемой зоны по газовыделению над разрывными нарушениями (рис. 2.3, а, б) определяют по данным инженерно-геологических изысканий, а при их отсутствии - по табл. 2.5, в зависимости от вертикальной амплитуды смещения разрывного нарушения ДЕЛЬТА Z.

Таблица 2.5

┌──────────────────────────┬────────────────┬────────────────────┐

│ ДЕЛЬТА Z, м │ До 100 │ 400 и более │

├──────────────────────────┼────────────────┼────────────────────┤

│B , м │15 │35 │

│ р │ │ │

└──────────────────────────┴────────────────┴────────────────────┘

Ширина угрожаемой зоны по газовыделению на участке выхода осевой

плоскости шарнирной складки под наносы (рис. 2.3, в) определяется по

формуле:

B = 150 м - 60 Y, (2.4)

с

где:

B - ширина угрожаемой зоны, м;

с

Y - внутренний угол шарнирной складки, рад.

2.5.8. Потенциально опасными по газовыделению являются зоны возможных выходов провалов над очистными, вскрывающими и подготовительными выработками, пройденными на малой глубине, над которыми не исключается наличие пустот. Эти зоны выделяются в проектах ликвидируемых (консервируемых) шахт как угрожаемые по газовыделению и опасные по выходу провалов. Прогноз выхода провалов при этих условиях определяется нормами действующих "Правил охраны сооружений..." (М., 1998 г.) и при необходимости уточняется специализированными организациями (ВНИМИ и др.).

2.5.9. Выделение газов на поверхность над ликвидированными выработками, охраняемыми целиками, происходит тогда, когда выработанные пространства имеют связь с поверхностью через эти выработки и когда под напором воды при затоплении шахты (при "мокром" способе) или в результате резкого падения атмосферного давления (при "сухом" способе) в них создается избыточное давление. Зона возможного распространения трещин, достигающих земной поверхности, от устья (начала) наклонной выработки простирается по падению пласта на расстояние:

L = 50 ctg альфа, (2.5)

где альфа - угол наклона выработки, град.

По простиранию пласта на расстояние, равное C / 2 от оси выработки в соответствии с "Инструкцией по защите зданий от проникновения метана" (Макеевка, 1986),

C = L + 1,7 H, (2.6)

где:

C - общая ширина угрожаемой зоны по простиранию пласта, м;

L - суммарная ширина охранных целиков и выработки, м;

H - глубина залегания нижней части выработки, м, но не более 50 м.

На крутых пластах зона возможного распространения трещин простирается в радиусе 25 м от оси выработки.

2.5.10. Выделение метана на поверхность по незатампонированным или некачественно затампонированным скважинам, как правило, происходит постоянно, но в небольших количествах. Под напором же воды при затоплении шахты или резком перепаде атмосферного давления в выработанном пространстве (пустотах) создается избыточное давление, что может привести к значительному увеличению выделения газа.

1. Общие положения 3. Методика прогноза и установления границ участков земной поверхности, опасных по выделению газов