采煤概论--巷道掘进

第三章巷道掘进主要内容第一节井巷掘进与支护概述第二节巷道掘进第三节巷道支护第四节立井开凿概述第一节井巷掘进与支护概述岩石的分级井巷掘进是煤矿生产一项经常而重要的工作。不论开掘何种井巷，其主要工作都是破岩和支护。破岩和支护的主要对象是各种不同的岩石，其物理力学性质各异。因而，了解岩石的性质，对于合理的确定破岩方法和支护方式，选用适当的凿岩机械、爆破器材和掘进机械，以及正确确定工作定额，具有重要的意义。第一节井巷掘进与支护概述一般认为：岩块是从地壳岩层中切取出来的小块体；岩体是指地下工程周围较大范围内的自然地质体；岩石则是不分岩块和岩体的泛称。“坚固性系数f”：表示岩石破坏的难易程度。10RfR——岩石的单轴抗压强度级别坚固性程度岩石坚固性系数fI最坚固的岩石最坚固、最致密的石英岩及玄武岩，其它最坚固的岩石20II很坚固的岩石很坚固的花岗岩类：石英斑岩，很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固程度较I级岩石稍差的石英岩；最坚固的砂岩及石灰岩15III坚固的岩石致密的花岗岩及花岗岩类岩石，很坚固的砂岩及石灰岩，石英质矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石10IIIa坚固的岩石坚固的石灰岩，不坚固的花岗岩，坚固的砂岩，坚固的大理岩，白云岩，黄铁矿8IV相当坚固的岩石一般的砂岩，铁矿石6IVa相当坚固的岩石砂质页岩，泥质砂岩5V坚固性中等的岩石坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩4Va坚固性中等的岩石各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩，3VI相当软的岩石软的页岩，很软的石灰岩，白垩，岩盐，石膏，冻土，无烟煤，普通泥灰岩，破碎的砂岩，胶结的卵石及粗沙砾，多石块的土2VIa相当软的岩石碎石土，破碎的页岩，结块的卵石及碎石，坚硬的烟煤，硬化的粘土1.5VII软岩致密的粘土，软的烟煤，坚固的表土层1.0VIIa软岩微砂质粘土，黄土，细砾石0.8VIII土质岩石腐植土，泥煤，微砂质粘土，湿砂0.6IX松散岩石砂，细砾，松土，采下的煤0.5X流沙状岩石流砂，沼泽土壤，包含水的黄土既包含水的土壤0.3第一节井巷掘进与支护概述围岩的分类：地下工程周围的岩石，习惯称围岩。考虑岩性特点、构造情况、断面尺寸可将岩层分为五类：稳定岩层、稳定性较好岩层、中等稳定岩层稳定性较差岩层、不稳定岩层断面的形状我国煤矿巷道常用的断面形状是梯形、矩形和直墙拱形（如半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形，简称拱形），只是在特定的岩层和围岩压力条件下才选用不规则的形状（半梯形）、圆形、椭圆形、封闭拱性等。巷道断面形状如图所示。巷道断面形状及尺寸巷道断面形状《煤矿安全规程》规定，巷道净断面，必须满足行人、运输、通风、安全设施、设备安装、检修和施工的需要。因此，巷道断面尺寸主要取决于巷道的用途；存放和通过它的机械、器材或运输设备的数量和规格；人行道宽度与各种安全间隙以及通过巷道的风量等。巷道断面形状及尺寸断面的尺寸设计巷道断面尺寸时，应根据上述诸因素和有关规程、规范的规定，首先定出巷道的净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支架参数，道床参数，计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许加大值（超挖值），计算出巷道的计算掘进断面尺寸；最后，按比例绘制包括水沟、墙角在内的巷道断面图，编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗量表。巷道断面形状及尺寸巷道断面尺寸的确定方法和步骤如下：1.巷道净宽度；2.巷道净高度；3.巷道净断面；4.风速校核净断面；5.巷道设计掘进断面积。巷道断面形状及尺寸半圆拱形双轨巷道断面图半圆拱形双轨巷道断面尺寸计算图生产矿井的巷道通常兼作通风用，因此还应按照《煤矿安全规程》等规定的允许最大风速进行验算，即式中：v——通过巷道风流的速度，m/s；Q——通过巷道的风量，m3/s；S——巷道的净断面积，m2；Vm——巷道允许通过的最高风速，m/s。巷道断面形状及尺寸mvSQv《煤矿工业设计规范》规定：矿井主要进风巷的风速一般不大于6m/s，输送机巷或采区风巷一般不大于4m/s。设计时，应在不违反《煤矿安全规程》的原则下，按规范要求确定巷道断面，以留有余地。设计出的巷道净断面积，不符合上述风速要求的，须加大断面尺寸。巷道断面形状及尺寸煤巷：沿煤层掘进的巷道，在掘进断面中煤层占4/5以上。半煤岩巷：煤层占1/5以上4/5以下。岩巷：掘金断面中岩层占4/5以上。巷道掘进主要工序：破岩、装岩、运输和支护辅助工序：通风、排水、测量、铺轨巷道施工概述第二节巷道掘进井巷施工首先要破碎岩石，常用的破岩方法有机械破岩和爆破破岩两种。机械破岩：掘进机破岩（岩石较软）爆破破岩：钻眼爆破（岩石较硬）钻眼爆破可分为两项主要工作：钻眼工作和爆破工作。钻眼（又称凿岩）机具按能源分，有电动、风动、液压、内燃四种。按破岩机理来分，有冲击式、旋转式两种。电钻用旋转式钻眼法破岩，用电力为动力。煤矿常用的有煤电钻和岩石电钻。爆破破岩风钻矿山一般常用的风钻有：手持式、气腿式、伸缩式和导轨式几种。全液压钻机液压凿岩机是以液压为动力的凿岩机，它和风动凿岩机一样，也由冲击机构、转钎机构及排粉系统等组成。YT-23型风钻外形爆破破岩掘进凿岩台车目前最广泛采用的掘进凿岩台车，台车行走机构有轨轮、履带及轮胎三种形式。国产台车目前以轨轮式为主。爆破破岩CGJ220.2型掘进凿岩台车钻眼工具凿岩机钎子：钎头的形状较多，但最常用的是一字形和十字形钎头。电钻钻具组合钎子活动钎头煤电钻钻具爆破破岩炸药：矿用安全炸药。硝铵类炸药、硝化甘油炸药起爆器材雷管、导爆索、发爆器。瞬发电雷管、秒延期电雷管、毫秒延期电雷管爆破破岩掏槽眼：首先爆炸的炮眼，其作用在于增加自由面。辅助眼：在掏槽眼的外围，除崩落岩石外，还能扩大所掏的槽，提高周边眼的爆破效果。周边眼：靠近巷道的周边，其作用在于使巷道获得一定的形状和规格。炮采工作面常用的炮眼布置图爆破破岩装岩：耙斗、铲斗、扒抓式装载机。掘进通风：抽出式、压入式、混合式局部通风机位置位于进风侧，距巷道回风口的距离不得小于10m，避免出现循环风。爆破破岩钻眼（又称凿岩）机具按能源分，有电动、风动、液压、内燃四种。按破岩机理来分，有冲击式、旋转式两种。电钻用旋转式钻眼法破岩，用电力为动力。煤矿常用的有煤电钻和岩石电钻。机械破岩炸药：矿用安全炸药。硝铵类炸药、硝化甘油炸药起爆器材雷管、导爆索、发爆器。瞬发电雷管、秒延期电雷管、毫秒延期电雷管机械破岩123451、老顶；2、直接顶；3、伪顶；4、煤层；5、底板岩层第二节巷道支护直接顶是采煤工作空间直接维护的对象，其稳定性将直接影响工作面安全及生产能力的发挥，而且直接影响支护形式和液压支架架型的选择。根据直接顶自身的稳定性，我国将直接顶分为四类。顶板分类一类不稳定顶板，回采时若不及时支护，很容易发生局部冒顶，如裂隙发育的炭质页岩、泥岩、泥页岩等；二类中等稳定顶板，虽然其受到裂隙的切割，但局部尚完整，其岩层的强度较大，如裂隙不发育的致密泥岩、粉砂岩、砂质页岩等；三类稳定顶板，允许暴露的面积大，稳定性好，不易发生局部冒顶，如裂隙较少的砂岩、石灰岩等；四类非常稳定顶板，即煤层上方直接赋存着坚硬难冒的基本顶，如厚层致密的砂岩、石灰岩、整体性强的砾岩等。各类直接顶的强度指数范围见表4-1。顶板分类顶板分类基本顶是影响工作面顶板来压的主要因素，是确定支架支撑能力、可缩性能以及选择采空区处理方法的主要依据。根据我国煤矿多年来的实践和研究，将基本顶按来压显现的强烈程度分为四级：Ⅰ级为来压不明显的顶板；Ⅱ级为来压明显的顶板；Ⅲ级为来压强烈的顶板；Ⅳ级为来压非常强烈的顶板。顶板分类地下岩体在开挖以前，由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态。当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，就会引起岩体内部应力的重新分布。表现为巷硐周围煤、岩体产生移动、变形甚至破坏，直到煤、岩体内部形成一个新的应力平衡状态为止。矿压知识矿压知识在此过程中，巷道本身或安设在其中的支护物会受到各种力的作用。这种由于在地下煤岩中进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫做“矿山压力”。矿压知识矿山压力：由于采掘引起的巷道及工作面周围岩体内的力及其作用过程。矿压显现：在矿山压力作用下，产生的一系列力学现象，如顶板下沉、底板鼓起、煤壁片帮、冒顶、支架变形等。矿压控制：所有人为的调节、改变和利用矿山压力的各种技术措施。对采掘空间的支护就是矿压控制。矿压知识支承压力：在岩体内开掘巷道后，巷道顶板岩层失去了支撑，巷道上方岩体的重量Q通过巷道两帮岩层来支撑与传递，因此在两帮岩体中产生了应力集中现象，这种集中应力称为支承压力。一般支承压力为原始应力的2.5一5.0倍。矿压知识工作面前方支承压力影响的范围由工作面前方1—3m起直到30—40m，甚至可深入煤体达l00m以上。支承压力的高峰值，距工作面煤壁约为5一15m。支承压力的存在是必须进行超前支护的主要原因。矿压知识回采工作面前后方支承压力分布状态a：应力降低区b：应力增高区c：应力稳定区(俗称:横三区)煤层被开采后，顶板岩层失去了原有的支撑，将会产生下沉、变形、破坏与移动。长壁工作面在整个回采过程中其顶板岩层的移动及矿压显现是不同的，重点可分为三个时期，即直接顶初次垮落、基本顶初次垮落和基本顶周期来压。矿压知识直接顶初次垮落采煤工作面自开切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度就要对采空区顶板进行初次放顶，使直接顶垮落下来，这一过程称作直接顶的初次跨落。直接顶初次垮落的跨距称为初次垮落距。初次垮落距的大小取决于直接顶岩层的强度、分层厚度和直接顶内节理裂隙的发育程度等，一般为6-12m。矿压知识矿压知识基本顶初次垮落前岩层结构随直接顶初次垮落，基本顶在一定范围内呈现悬露状态，通常将其视为一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的两端支撑的“梁结构”。基本顶初次垮落与初次来压随采煤面继续推进，基本顶悬露跨度逐渐增大，产生弯曲，达到一定跨度时，发生垮落。老顶第一次垮落称为老顶的初次垮落。矿压知识矿压知识基本顶周期垮落基本顶初次垮落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的基本顶岩层由“两端固定梁”状态转变为“悬臂梁”状态。随着工作面前移，基本顶周期性断裂垮落。矿压知识基本顶周期来压初次来压以后，基本顶由原来的双支撑状态变成一头支撑在煤体上的悬臂梁，当工作面继续向前推进一定距离后，基本顶悬臂梁达到一定长度，在它本身自重及上覆岩层的作用下，又会发生断裂与垮落。在这种情况下，这段基本顶岩块的一端主要由工作面支架来支撑，另一端就落在采空区的岩块堆上，使工作面出现普遍来压现象。由于这种垮落和来压现象，是随着工作面不断推进而周期性发生的，所以就叫周期来压。矿压知识回采工作面上覆岩层移动规律根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为：冒落带(Ⅰ)裂缝带(Ⅱ)弯曲下沉带(Ⅲ)(俗称:纵三带)1234(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)3巷道中的矿压显现是客观的自然现象，除了一些特殊情况外，在采掘过程中企图完全消除这种现象是不可能的。然而在掌握巷道矿压显现规律的基础上，以岩石力学理论为指导，有可能在不同程度上减轻矿压显现对巷道的危害，从而达到安全生产和取得较好技术经济效果的目的，这是巷道矿压控制的基本任务。巷道矿压控制原理巷道矿压控制的三类方法及途径：第一类：巷道保护第二类：巷道支护第三类：巷道维护目前所采用的各种矿压控制方法，从其对付矿压的原理来看不外“抗压”、“让压”、“躲压”、“移压”等几种。巷道矿压控制原理巷道矿压控制基本原理及途径控制方法基本原理具体措施举例主要优缺点抵抗矿压（抗压）提高支架的支撑能力或支护密度，用加强支护的手段去抑制或减少围岩移动，增强巷道抗变形能力以对付矿压的作用1.增大型钢重量，提高支架承载能力2.增加支护密度3.充填支架背后空间巷道布置地点及掘进时间可不受限制，但为此要消耗大量支护材料，支护劳动量大，使开采费用大幅度提高忍让矿压（让压）在采用适当支护措施和保持支架本身不遭受严重破前提下，容忍围岩产生一定变形，以释放掉一些能量（也称应力释放）1.采用有一定工