第四章_井巷掘进与支护.ppt

2020/7/24,1,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,2020/7/24,2,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。,2020/7/24,3,一、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。,2020/7/24,4,二、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。,,式中,岩石的单向抗压强度，,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，f8～10Ⅲ类中等稳定性围岩，f4～6Ⅳ类稳定性较差围岩，f2～3Ⅴ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，RQD75～90Ⅲ类中等稳定性围岩，RQD50～75Ⅳ类稳定性较差围岩，RQD25～50Ⅴ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，LP400～1000mmⅢ类中等稳定性围,LP1000～1500mmⅣ类稳定性较差围岩,LP1500～2000mmⅤ类不稳定围岩，LP2000～3000mmⅥ类极不稳定围岩，LP＞3000mm（四）锚喷围岩分类（见表14）（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BmAn（单轨）Bm2Abn（双轨）B巷道净宽mmm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B1B2e32δ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75mm,2、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H0h0h2（2）掘进高度HH0hce2，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（0.39Bh2）三心拱巷道S净B（0.26Bh2）4、巷道掘进断面积半圆拱巷道S掘B（0.39B1h2）三心拱巷道S掘B（0.26B1h2）5、巷道最大允许通过风速校核vv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,2020/7/24,18,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。,2020/7/24,38,1、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。,2020/7/24,39,三、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巷道断面承载能力、围岩性状、地压大小与方向断面利用率巷道类别用途、位置及服务年限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。,2020/7/24,40,2、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,2020/7/24,41,（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H0h3h0-h5,2020/7/24,42,3、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。,,2020/7/24,43,复习思考题岩石的物理力学指标及含义岩石的坚固性系数及定义。煤矿常用巷道断面形状及其承载性能特点选择巷道断面形状应考虑那些因素拱形巷道断面的净宽度和净高度如何确定,2020/7/24,44,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4080mm，周边孔间距一般50100mm。,2020/7/24,45,（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。,2020/7/24,46,2、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主要成分是硝酸铵、梯恩梯、木粉、盐等。（3）发爆器发爆器是电雷管起爆的电源，目前我国矿山中普遍得到推广使用的是电容式发爆器。,课后作业,1、我国煤矿许用的炸药有哪几种2、掘进工作面的炮眼按用途和位置分为哪几种3、掘进通风方式有几种高瓦斯矿井适用哪种方式,复习回顾,1、我国煤矿许用的炸药有哪几种2、掘进工作面的炮眼按用途和位置分为哪几种3、掘进通风方式有几种高瓦斯矿井适用哪种方式4、什么是岩巷试说岩巷掘进的几个步骤,第二节煤巷掘进,一、综掘机、皮带转载机与可伸缩双向皮带组成的作业线二、掘进机、桥式转载机与刮板运输机组成的作业线三、巷道断面形状及尺寸,第三节巷道支护,本节主讲大纲一、木支架二、金属支架三、组合锚杆支护四、锚喷支护,2020/7/24,51,三、巷道支护1、木支架与金属支架支护（1）木支架（2）金属支架,,,,,,,,,2020/7/24,56,3、锚杆支护属于主动支护。（1）锚杆的作用原理与使用范围对巷道围岩进行悬吊、挤压拱、组合梁（拱）等支护作用原理。锚网支护、锚网喷支护等。类型金属锚杆、木锚杆、钢筋或钢丝绳砂浆锚杆和树脂锚杆。（2）金属楔缝式锚杆（3）树脂锚杆,2020/7/24,57,4、锚索支护（1）支护原理对巷道围岩进行强力悬吊作用。与锚杆配合承载层（2）锚索结构,,,,,,,,,,,,,,,,,课堂作业,1、简述常见的巷道支护方式2、简述组合锚杆支护的几种形式,2020/7/24,67,5、喷射砼支护喷射砼支护是将一定配合比的水泥、砂、碎石和速凝剂搅拌料通过砼喷射机喷射在围岩表面，凝结硬化而成的一种支护形式。（1）工艺流程（2）砼喷射机,2020/7/24,68,第四节立井开凿与延深,立井施工包括立井掘进、永久支护、井筒装备安装等。一、立井掘进含表土掘进施工和基岩掘进施工。1、立井表土段施工,稳定表土层就是在井筒掘砌过程中，井帮易于维护，用普通施工方法能够顺利通过的表土层，其中包括含非饱和水的粘土层、含少量水的砂质粘土、无水的大孔土和含水量不大的砾石层等。不稳定表土层就是在在井筒掘砌过程中，井帮很难维护，用普通施工方法不能通过的表土层，其中包括含水砂土、淤泥、含饱和水的粘土、浸水的大孔土和含水量较大的砾石层等。,2020/7/24,69,（1）立井稳定表土施工程序安设临时锁口由井劲上部临时井壁和锁口框架组成。作用是固定井位、封闭井口、安装井盖和吊挂掘进用支架。2提升方式的选择,2020/7/24,70,1）普通施工法人工或抓岩机出土，下掘一小段后（空帮距不超过1.2m），然后用井圈、背板临时支护，掘一小段后（一般不超过30m），再由下向上拆除井圈、背板，然后砌筑永久井壁。如此，周而复始，直至基岩。这种方法适用于较稳定的土层。在松软土层中，为了减少土层暴露时间，可以采用阶梯式开挖法或分块对称式开挖法。,（2）表土施工方法,2020/7/24,71,2）吊挂井壁施工法用于稳定性较差的土层中的一种短段掘砌施工方法。段高一般0.5～1.5m。随掘随砌，井壁内设有竖向钢筋，各分段井壁的自重主要靠上部井壁通过吊挂钢筋来承担。,2020/7/24,72,1沉井法沉井法，就是在设计的井筒位置上构筑带刃脚的沉井井壁，而后在其保护下挖土，在自重的作用下井壁随着掘进面下沉，同时在地面上相应地砌筑接高井壁。这种沉井方法通常称做普通沉井法。下沉深度受到限制，一般为2030m。,（3）不稳定表土施工遇到不稳定土层时，必须采取特殊施工方法才能通过，这种施工方法为特殊施工方法。,淹水沉井实质是采用泥浆护壁，减少井壁下沉的阻力。采用水枪破土，压气排渣。最大沉井深度可达190m左右。,2020/7/24,73,2帷幕法预先在井筒周围设计一个封闭圆筒状、深度超过不稳定地层，进入稳定基岩的砼帷幕，从而可以在其保护下安全地进行作业。沿井筒圆周划分23个圆弧段，在每个圆弧段下钻孔，连通形成槽孔。然后在孔内注浆，最后形成砼帷幕。,3冻结法冻结法凿井就是在井筒掘进之前，在井筒周围钻冻结孔，用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定表土层冻结成一个封闭坚固的冻结圈，防止水或流砂涌入井筒，然后在冻结圈的保护下进行掘砌工作。待井筒掘砌到预计深度后，进行拔冻结管和充填，最后解冻。,3冻结法冻结法凿井就是在井筒掘进之前，在井筒周围钻冻结孔，用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定表土层冻结成一个封闭坚固的冻结圈，防止水或流砂涌入井筒，然后在冻结圈的保护下进行掘砌工作。待井筒掘砌到预计深度后，进行拔冻结管和充填，最后解冻。,2020/7/24,74,4钻井法是利用回转式钻机，将井筒全断面一次钻成或者是分次扩孔钻成，依靠井内充满的泥浆护壁，利用泥浆循环冲洗工作面和提升岩屑，井筒钻成后在泥浆中悬浮下沉井壁，井壁沉到设计深度后，及时进行壁后充填，进行永久支护。,2020/7/24,75,平行作业的特点是将井筒分成若干个井段，同时在相邻的两个井段内分别进行掘进和永久支护工作。以稳绳盘高度为界，砌壁自下而上进行；掘进工作则在稳绳盘以下1520m处自上而下进行。,3、立井基岩段施工（1）平行作业方式砌壁和掘进在两个相邻井段内反向同时进行。,2020/7/24,76,（2）同向同步下行平行作业（短段平行作业）掘进工作在金属掩护桐或喷射砼临时井壁保护下进行，掘砌共用一个多层吊盘。砌壁工作在距掘进面3040m的吊盘上随着掘进同向往下进行。段高一般为24m。（3）立井施工机械化配套方案,2020/7/24,77,三、立井井筒延深保证正常生产、下部延深作业，减少互相干扰。,2020/7/24,78,思考题1、立井表土施工有哪几种2、常用的特殊施工方法有几种，简述其特点3、立井基岩段施工有哪些方法,