坑探工程

ROCK&SOILDRILLINGANDTUNNELING第六章坑探工程第一节概述坑探工程又称岩土掘进工程，既是地质工程的主要内容之一，又是岩土工程施工的重要技术手段。它涉及地质勘探和基础工程坑道设计与施工的一系列技术和工程活动。一、勘探坑道的类型为圈定和查明矿床、地质构造而挖掘的探槽、浅井、平巷、斜井和竖井等，统称之为勘探坑道。人们常把探槽、浅井等称为地表或浅部勘探坑道；把探矿平巷、探矿斜井和探矿竖井等称之为地下深部勘探坑道。其类型如图6-1所示。井筒平巷小煤窑主井爆破拆除隧道掘进巷道注浆堵水巷道壁帮挂网支护二、岩土掘进工程的特点及施工工序掘进工程是为掌握矿区地质构造、矿体埋藏情况或完成某种基础工程任务而进行的地下系统工程。它所施工的地下坑道在形式上与采矿坑道没有什么不同。但由于两者开掘的目的和用途不同，它们之间也存在着一定的差别。采矿坑道是在矿体已经探明的情况下，由矿山设计单位根据地质勘探报告所提供的资料，以采出矿石为目的而布置的。因此它的断面尺寸和深度都比较大，而且相互贯通，有两个或两个以上出口，服务年限比较长，这些都是由开发矿山的要求决定的。而勘探坑道则以探明矿体的产状、形态、数量、质量及地质、水文情况为目的，坑道的设计和施工具有明显的探索性。基础工程中的坑道也仅仅是为工程目的服务，目的单一。这两类坑道多为独头坑道，工程分散，互不贯通，断面尺寸和长度较小，服务年限不长。岩土掘进工程的施工工序地表探槽的施工，其工序比较简单，只要揭露表土或风化层使原岩出露即可达到预计目的。地下坑道的施工则是一项较为复杂的系统工程。通常它包括：坑道掘进前的准备工作、坑道掘进和掘进后的收尾工作。一般掘进工作的各项主要工序有：凿岩、爆破、装岩运输、支护、通风排水、照明及其他工序（如铺轨）。坑道的掘进也就是这些工序的不断重复循环而使工作面不断向前延伸。这些工序（按既定计划）重复一次，称之为一个循环。完成一个循环所需的时间称之为循环时间。每班、每日或每月完成的循环次数越多，坑道的掘进速度（进尺）就越高。应该指出，在工作面上完成的各工序，其中凿岩、爆破、装岩、支护为主要工序，为主要工序创造正常工作条件的，如通风、排水、照明、铺轨以及其他工序称为辅助工序。第二节岩土掘进工程的基本作业当前，钻孔爆破法是开挖地下坑道的常规方法。它主要由钻孔、爆破、出渣三项施工过程所组成。相继完成这三项基本作业后，开挖的坑道就向前推进一段，即为一个开挖循环（或掘进循环）。土层中的开挖主要是支护问题，一般是在先行支护的保护下进行开挖，不采用钻眼爆破法。一、凿岩凿岩，又称钻孔或钻眼，是在坑道开挖工程中耗时最多、劳动强度大的一项基本作业。钻孔所需的时间一般约占开挖循环时间的40％~50％。（一）钻孔机具1．凿岩机凿岩机按凿岩方式不同可分为回转式、冲击回转式、回转冲击式三种；凿岩机按支撑和推进方式不同分：手持式、气腿式、向上式和导轨式四种；按动力不同可分为：风动、液压、电动和内燃凿岩机四类；凿岩机按排粉方式不同可分为：湿式凿岩机和干式凿岩机两种。2．凿岩台车凿岩台车实质上是一种能安设两台或两台以上凿岩机的可移动的支架设备。台车的主要特点是大大节约了钻孔时安拆支架和移动支架的时间；能装备重型凿岩机，适应打深孔的要求。3．钎子与钎头钎子是一种消耗性凿岩工具。它是凿岩机直接工作部分，由钎头、钎杆、钎肩、钎尾四个部分组成。二、爆破爆破是用炸药的爆炸能量来炸裂或破坏目的物的一种技术方法。钻眼爆破则是将炸药充填在被爆体的炮眼内的一种爆破方法。（一）岩石中爆破作用的基本原理根据测试得知，炸药在岩石中爆破时，它释放出来的能量是以冲击波和爆轰气体膨胀压力的方式作用在岩石上的，从而造成岩石的破坏。但是，在研究和解释岩石的破坏原因时，由于认识和测试的目的不同而形成三种假说。1、爆轰气体膨胀压力作用破坏论该观点是从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温高压的气体，这种气体膨胀时所产生推力，作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力；当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆轰气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出，此观点完全否认冲击波的作用。2、应力波反射拉伸破坏论该观点从爆轰的动力学观点出发。认为药包爆破时，强大的冲击波冲击和压缩周围的岩石，在岩石中激发成强烈的应力波，当应力波传到自由面时，从自由面反射而成拉伸应力波；当这种波的强度超过岩石的极限抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸张裂破坏作用。此观点完全否认了爆轰气体膨胀的推力作用。3、冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用破坏论这派观点认为爆破时岩石的破坏是冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用的结果。但是在解释岩石破碎的原因时仍有不同的观点。一种观点认为冲击波在破碎岩石时不起主要作用，它只是在形成初始径向裂隙时起了先锋的作用，但是在大量破碎岩石时则主要依靠爆轰气体膨胀压力的推力作用和尖劈作用。另一种观点则认为爆破时岩石破碎谁起主要作用要取决于岩石的性质，即取决于岩石的波阻抗。（二）爆破在岩石中的破坏作用现象为了破碎岩石，埋置在岩石中的炸药称为装药。通常把长度小于4倍直径的装药称为集中装药或称集结药包，而把长度大于4倍直径的装药称为柱状装药或称延长药包。集中装药爆炸时，其爆破作用的表现形式与埋置药量的多少和深度的大小有关。若将相同的装药埋置在岩体内部的不同深度，爆炸后产生如图所示之爆破作用。当药包埋置深度H远远大于药包爆炸产生之破坏半径（爆破作用半径）R时，在自由面上就看不到炸药爆炸的爆破作用迹象，爆破作用只发生在岩体内部，这种爆破作用称内部作用（图a）当HR，随埋深H的减小，则到达自由面的压缩应力波强度增大，并在自由面处反射回来形成反射拉伸应力波，如果它超过岩石的抗拉强度，则岩石便受拉而破坏（图b）。当H=R，到达自由面的压缩应力波强度大，反射后的反射拉伸应力波强度也大，对岩石造成较显著的拉伸破坏，使破坏裂隙相互贯穿而形成一个连续的破坏区。使破碎的岩石在原地凸起，此种爆破称为松动爆破（图c）。当HR，岩石不仅遭到破碎，而且药包爆轰的剩余能量（亦即高温，高压的爆轰产物的膨胀）将破碎的岩块向外抛掷（图d）。从上述各种爆破作用可知，当药量一定时，改变其埋置深度，则其爆破作用不同；反之，药包的埋置深度不变，只改变装药量，则同样会出现上述几种爆破作用现象。（三）单个药包爆破的内部作用当埋置在地表以下很深处的集结药包爆炸时，如果药包威力不大，则地表不会出现明显的破坏，而产生爆破的内部作用。如果将爆后的岩体剖开，就可以看到如图所示之现象。很据岩石破坏特征，岩石可大致分为三个区，即压碎区，破坏区和震动区，或称压碎圈、破坏圈和震动圈。（三）探槽爆破矿产普查找矿，经常在地表浅部掘进大量探槽以揭露矿体或基岩。探槽的爆破掘进方法，可采用松动爆破或抛掷爆破法，前者需人工清理槽内松动后的土石方，而抛掷爆破方法可以将槽内的绝大部分土石抛出槽外，形成所需深度的探槽。探槽爆破的抛掷形式通常有两种形式，一种是双侧抛掷爆破（图中a），被爆破的土石抛向探槽两侧，且爆堆大小形状一致。炮眼的行数决定于所要求的探槽宽度，可采用一行或两行。另一种是单侧抛掷爆破，适用于施工地点要求将土石抛向探槽的某一侧时。它是应用定向爆破技术，在第一行炮眼中装入比第二行炮眼少的药包量，并让第一行炮眼药包先起爆，然后起爆第二行，结果可以将槽内大部分土石（80%以上）向所需要的方向抛出（图中b）。探槽爆破的炮眼布置，根据地形条件有多种不同方法，如下图所示，有平缓地形的炮眼布置、顺山探槽的炮眼布置和横山探槽的炮眼布置等。三、装岩、运输和提升装岩、运输和提升（简称：出碴）是勘探坑道开挖工程中另一项费工、费时的基本作业，在一般情况下，出碴作业所需时间约占开挖循环时间的35％~50％。为要提高开挖速度，就必须快速出碴。出碴主要包括装岩、运输（包括提升）、卸碴三项作业。（一）装岩装岩方式与装岩机械类型有关。目前勘探或工程平巷和坑道采用的装岩机械有铲斗式、蟹爪式、立爪式装岩机和装卸机等，斜井采用耙斗式装岩机，竖井装岩采用抓岩机。（二）运输岩土掘进工程主要分有轨和无轨两种运输方式1、有轨运输有轨运输主要设备为轨道、斗车和机车。2．无轨运输无轨运输主要是指用内燃动力车辆进行运输，随着大型装载机及重载自卸汽车的应用，近年来无轨运轴在地下工程中得到广泛的应用。无轨运输的特点是调车灵活，不需敷设轨道，能适于卸碴距离较远的场合。缺点是内燃机械进硐废气污染严重，硐内作业要求空间较大，以利调车和装车作业。所出，无轨运输多适用于大型室开挖工程。小型勘探坑道中很少使用。（三）提升斜井或竖井提升是井筒内的运输工作，它是勘探坑道运输系统中的重要环节。斜井和竖井的提升是由提升设备来完成的，具体任务是提升矿石和废石，升降人员，运送材料、设备和工具等。提升设备包括提升机、提升容器、提升钢丝绳、井架、天轮及装卸设备等。四、地压和支护地下岩体在未受挖掘影响之前处于受力平衡状态，而在岩体内开掘巷道之后，岩体受力平衡状态被破坏了。若岩体是脆性的，巷道周围的岩石（简称围岩）常会出现片帮、冒顶等现象；若岩体是塑性的，表现为巷道顶板下沉两帮或底板鼓胀等现象。为保证巷道安全与正常使用，就要架设支架或锚固围岩以防止它发生过大变形与破坏。如果支架设计不当，或强度不足，支架也会破坏。围岩和支架的变形与破坏现象统称为地压现象。由于围岩变形与破坏作用于支架上的压力称为地压。为了保持巷道的断面规格，防止围岩发生危险的变形和垮落，必须采用各种方法来维护巷道。这些方法主要有：（1）将巷道开在比较坚固的岩层中，主要巷道要尽量避开地质构造复杂地带；（2）使巷道具有合适的断面形状，例如，拱形或椭圆形断面比矩形或梯形断面有利于围岩的稳定性；（3）保留足够尺寸的护巷岩柱或保护层，这一点在软岩中布置巷道时尤应注意；（4）采用有利于围岩稳定的破岩方法，如机械化切割、光面爆破等；（5）使用人工构筑物——支架，它是维护巷道的主要手段。选用支架应首先确定作用在支架上的载荷性质和大小，即地压的大小、方向和时间，然后决定支架尺寸和用量。支架的种类较多，按结构可分为：棚式支架、拱砌和锚喷支护。井巷支架材料有水泥、木材、金属材料、石材、混凝土、钢筋混凝土、砂浆等。五、坑探工程其他辅助作业地下施工时，在钻眼、爆破、装岩、运输、喷射混凝土的过程中，不可避免地会产生有害气体、粉尘、噪声等，危害人身健康。为改善劳动条件，施工中要采取一定的辅助措施。同时，还要解决涌水地段施工时的排水，施工中的照明、供水、供气等问题。THEEND