第四章井巷掘进与支护

第四章井巷掘进与支护第一节岩石的性质与分级一、概述基本概念：岩石；岩块；岩体；表土；基岩。二、岩石的物理性质1、岩石的性对密度：岩石/水的同体积质量之比。2、密度：kg/m33、孔隙性：孔隙度=孔裂隙体积/试件体积的百分数。孔隙比=孔裂隙体积/试件内固体颗粒体积之比。三、岩石的力学性质1、岩石的变形特征：兼有弹性变形和塑性变形两种特征。2、岩石的强度特征：岩石的强度决定其支护效果和稳定性。3、岩石各种强度之间的关系：三向等压抗压强度＞三向不等压抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度＞抗剪强度＞抗拉强度。破岩时：使岩石处于单向或双向受力，处于拉伸或剪切状态。井巷维护时：使岩石处于受压状态。四、岩石分级和围岩分类1926年，前苏联采矿工程师m.m.普洛托吉雅可诺夫（简称普氏）提出用“坚固性系数”来划分岩石。共分为15级。f=R/10此种方法存在的问题是:它只是反映了岩石开挖的难易程度。对于松散岩体比较适用，对坚固的裂隙发育较少的岩体结果偏大不适用。级别坚固性程度岩石坚固性系数（f）Ⅰ最坚固的岩石最坚硬、最致密的石英岩及玄武岩，其它最坚硬的岩石20Ⅱ极坚固的岩石极坚硬的花岗质岩石；石英斑岩，极坚硬的花岗岩、砂质板岩、较软的石英岩；最坚硬的砂岩及石灰岩；极硬的铁矿石15Ⅲ坚固的岩石致密的花岗岩类；极坚硬的砂岩及石灰岩；石英质矿脉，坚硬的砾岩；坚硬的铁矿石10Ⅲa坚硬的石灰岩；不坚硬的花岗岩；坚硬的砂岩；坚硬的大理岩；白云岩；黄铁矿8Ⅳ相当坚固的岩石普通的砂岩；中等坚硬的铁矿石6Ⅳa砂质页岩；层状砂岩5Ⅴ坚固性中等的岩石坚硬的页岩；不坚硬的砂岩及石灰岩；软的砾岩4Ⅴa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；岩盐；石膏；冻土；无烟煤；普通泥灰岩；破碎的砂岩；碎石；多石块的土2Ⅵa碎石土；破碎的页岩；堆放的碎砾石；坚硬的烟煤；硬化的粘土1.5Ⅶ软岩黏土（致密的）；软煤；坚硬的表土层1.0Ⅶa微砂质粘土；黄土；细砾石0.8Ⅷ土质岩石腐植土；泥炭；微砂质粘土；湿砂0.6Ⅸ松散岩石砂岩屑；小的细砾石；填方土；采下的煤0.5Ⅹ流沙状岩石流砂；沼泽土；含水黄土及其他含水土壤0.3（二）围岩分类为了合理选择井巷锚喷联合支护类型及支护参数，我国《煤矿井巷工程锚杆、喷浆、喷射混凝土支护设计试行规范》根据支护设计的需要，考虑煤矿岩性特点、构造情况和断面尺寸，将围岩划分为五类。围岩分类岩层描述巷道开掘后围岩的稳定状态(3～5m)跨度岩种举例类别名称Ⅰ稳定岩层1.完整坚硬岩层，Rb60MPa，不易风化2.层状岩层层间胶结好，无软弱夹层围岩稳定，长期不支护无碎块掉落现象完整的玄武岩，石英质砂岩，奥陶纪灰岩Ⅱ稳定性较好岩层1.完整比较坚硬岩层，Rb=40～60MPa2.层状岩层，胶结较好3.坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物，Rb60MPa围岩基本稳定，较长时间不支护会出现小块掉落胶结好的砂岩、砾岩Ⅲ中等稳定岩层1.完整的中硬岩层，Rb=20～40MPa2.层状岩层以坚硬岩层为主，夹有少数软岩层3.比较坚硬的块状岩层，Rb=40～60MPa能维持一个月以上稳定，会产生局部岩块掉落砂岩，砂质页岩，粉砂岩，石灰岩，硬质凝灰岩Ⅳ稳定性较差岩层1.较软的完整岩层，Rb20MPa2.中硬的层状岩层3.中硬的块状岩层，Rb=20～40MPa围岩的稳定时间仅有几天页岩，泥岩，胶结不好的砂岩，硬煤Ⅴ不稳定岩层1.易风化潮解剥落的松软岩层2.各类破碎岩层围岩很容易产生冒顶片帮炭质页岩，花斑泥岩，煤，破碎的各类岩石第二节钻眼爆破一、钻眼机具（一）冲击式凿岩机1、气腿式凿岩机：YT-23/24/26（数字表示机器重量）2、向上式凿岩机：锚杆机,YSP-453、导轨式凿岩机：凿岩台车用。YGP-28/35等。凿岩机的动力：（1）风动凿岩机：压缩空气（2）电动凿岩机：以电为动力（3）液压凿岩机：高压油为动力（液压凿岩台车）（二）旋转式钻眼工具主要动力有电动、风动、液压驱动三种。主要是电动。1、煤电钻：MZ-12,MZ-12S。煤电钻由电动机、减速器、手柄、散热风扇和外壳组成。煤电钻适用于f＜4的软岩中钻眼。2、岩石电钻由电动机、减速箱、牵引装置、机壳、供水装置组成。3、钻杆（1）煤电钻：中空麻花钻杆和空心钻头。（2）岩石电钻：六角中空钢或中空圆钢。CGJ220.2型掘进凿岩台车二、爆破材料（一）矿用炸药分类：煤矿许用炸药；岩石炸药；露天炸药。1、煤矿许用炸药：共分5级多个型号。1、2级用于低瓦斯矿；3级用于高瓦斯矿；4级用于突出矿井；5级用于溜煤眼或石门揭煤。（1）煤矿水胶炸药：坚硬岩石深孔爆破时使用。（2）煤矿乳化炸药：软岩和煤层中使用。（3）离子交换炸药：硬岩或中硬岩中使用。2、岩石炸药：无瓦斯煤尘爆炸危险的井巷掘进。3、露天炸药：露天矿使用。（二）起爆器材——电雷管分为：煤矿非许用电雷管、煤矿许用电雷管两类。煤矿许用电雷管：分为煤矿许用瞬发电雷管、煤矿许用毫秒延期电雷管。（1）煤矿瞬发电雷管：有瓦斯、煤尘爆炸危险时使用。（2）延期电雷管：通入足够电流后，雷管的起爆时间要延迟一定的时间。以秒计的称为秒延期电雷管；以毫秒计的为毫秒延期电雷管。《煤矿安全规程》规定：在采掘工作面，必须使用煤矿许用瞬发电雷管或煤矿许用毫秒延期电雷管。使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得超过130ms。（三）起爆方法通过电雷管、导线、起爆器组成的起爆网路来实现。1、导线：母线；区域限（10-20m）；连接线；端线；脚线。2、发爆器：井下爆破必须使用发爆器。目前煤矿广泛使用防爆型晶体管电容式发爆器。它是利用电容器充电后放电引爆电雷管。目前国产发爆器按其一次引爆能力（发）分为50、80、100、150等几种。3、电爆网路的连接形式串联；并联；串并联。三、巷道掘进爆破技术（一）炮眼布置1、炮眼分类：掏槽眼、辅助眼、周边眼。（1）掏槽眼：位于工作面中下部，首先起爆，使工作面形成第二个自由面，为其余炮眼的爆破创造条件。根据掏槽眼的方向，分为直眼掏槽和斜眼掏槽。（2）辅助眼：布置在掏槽眼和周边眼之间，作用是大量崩落岩石并继续扩大自由面，为周边眼的爆破创造条件。（3）周边眼：控制巷道成型的炮眼，最后起爆。周边眼多采用光面爆破。2、爆破参数：包括单位炸药消耗量、炮眼直径、炮眼深度和炮眼数目等。（1）炸药消耗量：kg/m3。（2）炮眼直径：比标准药卷直径32-35mm大4-6mm。一般为39-41mm。（3）炮眼深度：决定循环进尺和工作量。（4）炮眼数目：决定每茬炮的钻眼时间和钻眼工作量。3、爆破图表：包括三部分。（1）爆破条件（2）炮眼布置图，附有说明表（3）预期爆破效果。（二）钻眼工作（三）爆破方法1、爆破作业：（1）装要前的准备：支护；挂好炮线；检查炮眼布置；装配引药；检查瓦斯。（2）装药连线：严格按爆破图表要求。（3）放炮：严格遵守安全规程。2、光面爆破技术第三节巷道掘进一、巷道断面形状及尺寸（一）巷道断面形状梯形；矩形；直墙拱形；圆形；不规则型等。取决于矿压大小、服务年限、用途、支护方式等因素。（二）巷道断面尺寸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。人行道宽度不小于800mm，综采矿井1000mm.巷道不行人侧设备与支护之间距离不小于300mm，综采矿井为500mm。双轨巷道中运输设备之间的最小间隙不小于200mm。二、岩巷掘进1、主要工序：打眼—装药放炮——工作面通风——装运岩石——巷道支护。2、装岩设备：铲斗装岩机；蟹爪式装岩机。三、煤巷及半煤巷掘进掘进的煤巷断面中，煤层占4/5以上的，称为煤巷。岩石占1/5—4/5时，为半煤岩巷。（一）煤巷掘进1、破煤——钻眼爆破法2、装煤——装煤机3、支护——锚杆、锚网、金属支架等。（二）半煤岩巷掘进1、巷道位置的选择：挑顶；卧底；挑顶兼卧底。2、炮眼布置特点：在煤层中布置掏槽眼，用电钻打眼3、施工组织特点：（1）煤、岩不分，全断面掘进；（2）分掘分运。（三）煤及半煤岩巷中用掘进机掘进特点：破煤、装煤、转运一体。（四）煤巷施工机械化作业线。1、掘进机—刮板输送机作业线。2、掘进机—转载机—刮板输送机作业线。3、掘进机—转载机—胶带输送机作业线。四、倾斜巷道掘进施工的特点（一）上山掘进特点：1、掏槽眼多用底部掏槽。2、工作面容易瓦斯积聚。3、根据坡度大小选择合理的运输方式。4、支护的棚子要有一定的迎山角。（二）下山掘进特点：1、装载比较困难，多用装岩机。2、工作面容易积水。3、容易发生跑车事故。第四节巷道支护一、巷道地压（一）地压概念由于围岩的变形或破坏而作用在支架上的力，称为地压。地压的大小与巷道围岩的性质、巷道形状、规格及其巷道的深度、巷道开掘后的时间长短以及支架架设情况等有关。（二）自然平衡拱巷道开掘后，巷道顶部岩石承受着上部岩石的压力，当应力值超过其极限强度时，会出现顶板下沉、冒落现象，冒落范围也不断向上发展，最后形成一个冒落拱。冒落拱形成后，巷道上部的岩石就会停止冒落，这个拱叫做自然平衡拱。支架所承受压力的大小可粗略的认为是自然平衡拱内岩石的全部重量。但是并非在所有的岩石中开掘巷道顶部都会形成自然平衡拱。二、支护材料1、木材2、金属材料3、石材4、水泥5、混凝土6、砂浆三、巷道支护类型（一）棚式支架木棚；金属棚子；装配式混凝土棚子。用于服务年限不长的采区内巷道。（二）石材整体式支架——砌碹由拱、墙、基础三部分组成。用于服务年限长的巷道。（三）锚杆支护1、利用锚杆和围岩共同作用，达到维护巷道的目的。是积极防御的支护方法。2、作用原理：（1）加固拱作用；（2）悬吊作用；（3）组合梁作用；（4）围岩补强作用；（5）减小跨度作用。3、锚杆类型（1）金属倒楔式锚杆（2）钢筋或钢丝绳砂浆锚杆（3）树脂锚杆（4）快硬水泥锚杆（5）快硬膨胀水泥锚杆（6）管缝式锚杆。（四）喷射混凝土支护作用：支撑作用；充填作用；隔绝作用；转化作用。（五）锚喷网联合支护（1）锚喷支护；（2）锚网支护；（3）锚喷网支护。