第四章井巷掘进与支护

2020/7/151本章主要内容第一节岩石的性质及分级第二节巷道掘进第三节巷道支护第四节立井开筒施工概述2020/7/152第一节岩石的性质与分级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。2020/7/153一、岩石性质1、岩石的物理特性重力密度：单位体积内岩石的重量。密度：单位体积内岩石的质量；岩石碎胀性：破碎后体积有所增大的性质。岩石硬度：指岩石抵抗其他较硬物体压入的能力。2、岩石的力学性质指岩石抗压、抗拉、抗弯、抗剪等外力的抵抗能力。弹性、塑性、脆性；岩石强度：指岩石抵抗外力破坏的能力。2020/7/154二、围岩分类（一）普氏围岩分类“坚固性系数f”(又称普氏系数）：表示岩石破坏的难易程度。10cRf式中：cR——岩石的单向抗压强度，aMP岩石强度分级表如下表根据f值的大小，将岩石分为十级十五种，煤炭行业归纳为5大类。Ⅰ类：稳定围岩，f＞10；Ⅱ类：稳定性较好围岩，f=8～10Ⅲ类:中等稳定性围岩，f=4～6Ⅳ类：稳定性较差围岩，f=2～3Ⅴ类：不稳定围岩，f＜2（二）质量指标分类引用岩心质量指标（反映围岩的整体状况和裂隙发育程度），将围岩划分为5大类:RQD（岩心复原率）=Ⅰ类：稳定围岩，RQD＞90%；Ⅱ类：稳定性较好围岩，RQD=75%～90%Ⅲ类:中等稳定性围岩，RQD=50%～75%Ⅳ类：稳定性较差围岩，RQD=25%～50%Ⅴ类：不稳定围岩，RQD＜25%（三）松动圈围岩分类随着煤炭开采深度的增加，围岩分类的主要因素是围岩软化和地应力增高。根据松动圈的大小，结合锚喷支护机理及巷道支护难易程度，将围岩分为3大类6小类Ⅰ类：稳定围岩，LP＜400mm；Ⅱ类：稳定性较好围岩，LP=400～1000mmⅢ类:中等稳定性围,LP=1000～1500mmⅣ类：稳定性较差围岩,LP=1500～2000mmⅤ类：不稳定围岩，LP=2000～3000mmⅥ类：极不稳定围岩，LP＞3000mm（四）锚喷围岩分类（见表1—4）（五）煤巷顶板围岩稳定性分类分类指标包括①三个强度，即顶板、底板岩石及煤层的单向抗压强度（MPa）②三个距离，即巷道埋深、护巷煤柱宽度、直接顶初次垮落步距③一个比值，即直接顶厚度与采高之比Ⅰ类：非常稳定围岩Ⅱ类：稳定围岩Ⅲ类:中等稳定性围岩Ⅳ类：不稳定围岩Ⅴ类：极不稳定围岩二、井巷地压原岩体——地下岩体在受采动影响前称为原岩体。原岩应力——由于自重和构造作用，在其内部引起的应力，称为原岩应力。地压显现——采掘工作破坏了原岩应力的平衡状态，使巷道围岩产生二次应力，若二次应力大于岩体极限强度，就产生变形或松动，这种现象称为地压显现地压——作用在围岩和支架上的力称为地压。（一）变形地压及控制变形地压包括弹性变形压力和塑性变形压力1、弹性变形压力——当围岩为Ⅰ、Ⅱ类稳定的坚硬砂岩或石灰岩时，巷道开挖后，在巷道两侧形成的支撑压力，不造成巷道失稳。即使受采动影响，由于岩石强度较高，巷道围岩仍处于弹性变形范围之内，容易维护，对支架形式的选择、支架参数的确定、支护施工的管理均要求不严。因此弹性变形压力，不是支护的对象。2、塑性变形压力——当围岩为中等稳定的砂岩、砂页岩以及坚硬的页岩时，巷道开挖后，支撑压力可造成巷道局部片落，使围岩产生塑性变形压力。如果能及时支护，保证支护形式合理，支架参数科学，使支架、围岩及外荷三位一体共同作用，约束围岩变形而不片帮，顶板下沉而不离层，压力释放而不松动，不会造成巷道失稳。3、变形压力的控制原岩压力是造成围岩压力的根本原因，但并不是直接原因，支撑压力才是造成围岩变形的直接原因。所以减小应力集中和避免采动影响是控制变形压力的首要措施，其次是采用可缩支架，最大限度的释放变形压力，达到科学支护的目的。再者重视围岩监测，及时反馈监测数据和有效采取二次支护措施，保证不产生松动压力。（二）松动地压松动压力与变形压力完全不同，它是松动岩体的重量直接作用于支护结构上的载荷，任何断面形状的巷道，均显现顶压大而测压小，底部一般不显现。产生松动地压的原因有地质因素和施工因素两方面，松动地压在各种地层中均有可能出现。三、巷道断面形状及尺寸（一）巷道断面形状1、平顶型——包括梯形、矩形和不规则型形。特点：服务年限短，受动压影响的煤巷或半煤岩巷，如区段平巷、开切眼、采区上、下山等采准巷道。1）梯形巷道—断面利用率高，断面较小，多为架棚支护，常用于围岩稳定、地压不大的巷道。2）矩形巷道—断面较大，利于工作面通风，常采用组合瞄杆配瞄索支护，适应综采工作面平巷和顶板稳定的煤层。3）不规则巷道—如倒梯形或多边形巷道，多数适用于保护顶板完整的倾斜煤层中布置的巷道，常用组合瞄杆配瞄索支护，若遇到破碎顶板时，才使用架棚支护。2、拱形巷道包括半圆拱形、切圆拱形和三心拱形。拱形巷道适应服务年限长、断面大，岩性好的开拓巷道，如斜井井筒、井底车场、运输大巷和石门等。1）半圆拱形和切圆拱形，常用于锚喷支护的岩巷或使用U形钢可缩支架的煤巷2）三心拱形，断面利用率高，拱高小，常用于架线机车运输的砌碹巷道。3、封闭型巷道包括马蹄形、圆形或椭圆形封闭型巷道适应不稳定岩层或严重底凸的岩层马蹄形、圆形多数为砌碹支护，采准巷道可选用U形钢可缩支架挂底梁的封闭支护。（二）巷道断面尺寸巷道断面分掘进断面和净断面。掘进断面—未进行支护的毛断面。净断面—支护后的断面。巷道断面尺寸的确定主要依据是巷道用途、支护方式、运输设备的外形尺寸、轨道数目及有关安全间隙。巷道断面尺寸的确定步骤如下：1、巷道宽度①巷道净宽B=m+A+n（单轨）B=m+2A+b+n（双轨）B—巷道净宽(mm)m—非人行道一侧安全间隙,以《煤矿安全规程》为准，一般不小于250mmA—运输设备中最大宽度n—人行道宽度（＞800mm）b—双轨道大巷运输设备之间的最小间隙（＞800mm）②巷道掘进宽度B1=B+2e3+2δ式中B1—掘进宽度_e3—支护厚度（喷层厚度）δ—最大允许收敛值，稳定岩层取75mm2、巷道高度（1）巷道净高度净高＝拱高＋墙高，墙高＝轨面至拱基高度＋道碴面至轨面高度（160mm）公式H0=h0+h2（2）掘进高度H=H0+hc+e2，+δHc道床参数e2，锚杆尾部外露长度。3、巷道净断面积半圆拱巷道S净=B（0.39B+h2）三心拱巷道S净=B（0.26B+h2）4、巷道掘进断面积半圆拱巷道S掘=B（0.39B1+h2）三心拱巷道S掘=B（0.26B1+h2）5、巷道最大允许通过风速校核v=v—巷道内风速，m/sQ—设计通过巷道的风量，m3/sv允—《安全规程》中所允许的最大风速2020/7/1518第二节巷道掘进一、岩巷掘进岩巷—通常将掘进断面中岩石占4/5以上的巷道岩巷掘进普遍采用的施工方法是光面爆破、锚喷支护。（一）钻眼爆破工作1、凿岩机具（1）凿岩机（2）凿岩工具2、矿用炸药及起爆器材炸药：铵梯炸药、水胶炸药、乳化炸药和离子交换炸药等四种。风动气腿凿岩机气腿钻机锚杆钻机锚杆钻机凿岩钎杆钎杆钎头钎头铵梯炸药水胶炸药乳化炸药离子交换炸药掘进机桥式转载机桥式转载机刮板输送机刮板输送机起爆器材：供给炸药能量使其爆炸的器材称为起爆器材。井下的起爆器材主要是电雷管和发爆器。电雷管根据爆炸时间间隔长短，可分为瞬发和毫秒延期电雷管两大类。毫秒延期电雷管分为普通毫秒电雷管（适应于低瓦斯矿井）和高精度毫秒延期电雷管（应用于各类矿井）毫秒电雷管是在瞬发雷管内加入一个延期元件，实现分段起爆，达到全断面一次起爆的目的。瞬发电雷管是通入足够的电流瞬间能起爆的雷管，不具备延期性。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。进行爆破破岩，就是要在采掘的煤岩中用钻研工具钻凿炮眼，其深度一般不超过3～4m，直径35～75mm。然后在炮眼中安放一定数量的炸药，炮眼口直至炸药间的一段炮眼放置以不燃的惰性物质（一般为粘土与砂子混合物）做得炮泥，再用一定的方法是炸药在炮眼内起爆，从而产生巨大压力使煤和岩石从其整体中分离出来，并破碎成便于装运的块度。因此，钻眼爆破可分为两项主要工作：钻眼工作和爆破工作。2020/7/15381、钻眼机具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。(1)冲击式——动力是气动式冲击式凿岩机冲击式凿岩机工具－－钎子和钻头（2）旋转式——动力是电力煤电钻和岩石电钻旋转式钻眼工具——钻杆和钻头煤电钻——麻花钎子岩石电钻——中空钢制成。2020/7/1539三、巷道断面形状与支护方法1、巷道断面形状选择矩形，梯形，多边形，拱形，马蹄形，椭圆形及圆形。选择巷道断面形状一般考虑地因素1.巷道断面承载能力、围岩性状、地压大小与方向2.断面利用率3.巷道类别用途、位置及服务年限4.巷道支护方式及支架材料等*常用的断面形状：直墙半圆拱形、直墙圆弧拱、不规则梯形、不规则矩形等。此外，三心拱、椭圆拱等也均有使用。2020/7/15402、巷道断面尺寸即满足生产要求，又尽量减少掘进工作量，最后通过风速进行校核。（1）巷道净宽度的确定拱形和矩形巷道的净宽度是指巷道内侧的水平距离。单轨双轨2020/7/1541（2）巷道净高度的确定巷道净高度是指道砟面至拱顶内缘（梯形巷道顶梁下缘）的垂直距离。主要运输和通风巷道净高度不低于2m；采区内的巷道净高不低于1.8m。①梯形断面巷道高度：2.2m、2.4m、2.0m、1.8m②拱形断面巷道高度：H0=h3+h0-h52020/7/15423、轨道布置与风速验算（1）轨道布置钢轨、轨枕和道喳三部分组成。（2）风速验算式中：v——通过巷道风流的速度，m/s；Q——通过巷道的风量，m3/s；S——巷道的净断面机，m2；Vm——巷道允许通过的最高风速，m/s。《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。mvSQv2020/7/1543复习思考题1.岩石的物理力学指标及含义？2.岩石的坚固性系数及定义。3.煤矿常用巷道断面形状及其承载性能特点？4.选择巷道断面形状应考虑那些因素？5.拱形巷道断面的净宽度和净高度如何确定？2020/7/1544第三节水平及倾斜巷道的掘进与支护一、破岩1、钻凿炮孔（1）炮孔布置方法按其用途和位置可分为掏槽眼、辅助眼和周边眼三类。其起爆顺序依次为掏槽眼、辅助眼和周边眼。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。辅助孔间距一般40~80mm，周边孔间距一般50~100mm。2020/7/1545（2）爆破参数的确定爆破参数包括:炸药消耗量;炮眼直径：炮眼直径是根据药包直径来确定的。一般的标准药卷直径为32及35mm，炮眼直径要比药卷直径大4～7mm,这样炮眼直径就是36～42mm。炮眼深度:合理的炮眼深度确定的依据是：炮眼利用率比较高（一般不低于85～90%）；钻眼和掘进速度快；巷道掘进成本低。炮眼数目:炮眼数目可以按照一个循环的总装药量平均装入所有炮眼的原则进行估算，作为实际排列炮眼的参考。2020/7/15462、起爆器材引爆炸药的器材有雷管和发爆器。（1）雷管煤矿所使用的雷管是电雷管。根据电雷管爆炸时间间隔的长短，可分为：瞬发电雷管、秒延期电雷管和毫秒延期电雷管。（2）炸药炸药是一种固体或液体的化合物或混合物。当这种物质受到一定的外界能量作用时(遇热、机械冲撞力、其它炸药爆炸的影响)，就能迅速分解，同时产生大量的气体和热量。煤矿使用的硝胺炸药