不稳定地层巷道掘进.ppt

不稳定地层巷道施工与安全 山 东 科 技 大 学 林登阁 教 授泰安）青岛） 二六 年 六月 * * 1 1 第三章：不稳定围岩巷道掘进 一、不稳定松软岩层巷道施工技术 二、钻眼爆破法掘进 三、机械掘进 四、人工风镐挖掘 DateDate 2 2 第一节 不稳定松软岩层巷道施工技术 松软岩层具有松、散、软、弱四种不同属性。 松指岩石结构疏松、密度小、孔隙度大的岩层； 散指岩石胶结程度很差或未胶结的颗粒状岩层； 软指岩石强度很低、塑性大或粘土矿物质易膨胀的岩层； 弱指受地质构造的破坏，形成许多弱面，如节理、层理、裂隙等破坏了 原有的岩体强度，极破碎、易滑移冒落的不稳定岩层，但其岩石单轴抗压强度 还是较高的。 深地层埋藏深，构造应力大的地层。 深井的概念：英国750m；德国8001200m；前苏联800m。 中国1200m特深井 深井是指随着开采深度的增加，工程岩体开始出现非线性力学现象的深部及 其以下的深部区间的矿井。 第三章 不稳定围岩巷道掘进 巷道掘进就是破碎工作面上的岩石以获得进尺。破碎岩石的方法有 钻眼爆破法、掘进机掘进和人工风镐挖掘法。 Date3 非线性力学现象：1、软岩大变形；2、硬岩冲击地压岩爆 。 工程岩体最先出现非线性力学现象的深度称为临界深度。 软岩第一临界深度(上临界)Hcr1 ；硬岩第二临界深度(下临界) Hcr2 不同时代煤系地层的临界深度 分析： H Hcr2现有理论基本失效 两类不同性质的工程事故： H Hcr2 主要科学问题 深部工程的特性 1、三髙一扰动髙地应力、髙温度场、髙渗透压、强烈开采扰动 2、大变形与强流变 3、矿井转型硬岩矿井软岩矿井、低瓦斯矿井髙瓦斯矿井、 非突矿井突出矿井、非冲矿井冲击矿井 低温矿井髙温矿井、低渗透压矿井髙渗透压矿井 矿井已转型，由于理论、设计、技术未转型，出现事故。 生成年代第一临临界生度Hcr1第二临临界生度Hcr2 第三代300400 中生代400500 古生代600800 Date4 这四种或五种属性岩层中施工，掘进容易，支护困难。施工中 应特别重视。在巷道设计时就应考虑： 一、巷道位置选择 合理选择巷道位置是保证巷道处于稳定状态最关键的决策之一 。选择巷道位置应着重考虑以下两个方面： 1、岩石性质 尽量布置在遇水膨胀量小、较坚硬的岩层中 。 2、支承压力是造成煤层底板岩石大巷破坏的主要原因。 选择巷道尽量避开支承压力的影响。 二、巷道断面形式选择 合理选择断面形状对维护松软岩层的稳定尤为重要。断面形状 主要应根据地压的大小和方向来选择。顶压大拱形；侧压大 曲墙；四周压力大圆形。 Date5 三、破岩方式 巷道掘进的破岩以不破坏或少破环巷道围岩为原则。最好采用风镐或机械 破岩。 四、支护方式与结构 松软岩层中，巷道一经掘出，不及时控制，围岩变形很快，出现流变现象 ，导致巷道失稳破坏。为此支护一定要及时，且支护方式与结构必须合理，在 这一岩层中支护应有“先柔后刚”的特性，即扩大断面二次支护。 五、加强巷道底板管理 软岩尤其是具有膨胀性围岩的掘进巷道，多数是要发生底臌的。 措施：1、底板锚杆注浆；2、底板梁混凝土反底拱；3、底板卸压；4、底脚松动爆破；5、防水 六、重视围岩量测技术 包括围岩收敛变形、围岩内部位移量测，根据测试数量及时调整支护参数 。 地应力特大的矿区，还应量测构造应力场，这对巷道合理布置，减轻地应 力对巷道支护的破环影响具有重要意义。理论和实践证明，巷道沿最大主应力 的作用方向布置比较有利，巷道设计时应合理考虑。 Date6 第二节：钻眼爆破法掘进 目前破碎岩石的主要手段仍是钻眼爆破法。为了获得良好的爆破效果，必须正 确地布置工作面炮眼，合理确定爆破参数，选择适宜的炸药和改进爆破技术等方 面采取综合性作业的措施。 一、工作面跑眼布置及爆破图表 正确布置炮眼是取得良好爆破效果的前提。 掘进工作面上的炮眼，按其用途和位置可分为掏槽眼、辅助眼和周边眼三类。 （一）掏槽眼（一）掏槽眼 掏槽眼的作用是首先爆破岩石，为其它炮眼爆破提供第二个自由面；由于掏 槽眼只有一个自由面，炮眼利用率低，为此，掏槽眼眼深比其它炮眼深（200mm） ，装药量比其它炮眼多，且首先引爆；掏槽的好怀决定一茬炮的成败，这里关键 是掏槽方式，根据掏槽眼的方向，分为斜眼掏槽和直眼掏槽，不稳定巷道掘进中 常用的掏槽形式多以斜眼掏槽为主 ，常见的掏槽方式有三角锥形掏槽、 四眼锥形掏槽、垂直楔形掏槽等。如图1所示。 Date7 掏槽方式图 三角锥形掏槽 四角锥形掏槽 垂直楔形掏槽 （二）其它炮眼（二）其它炮眼 辅助眼（又称崩落眼）是布置在掏槽眼和周边眼之间的炮眼。在巷道掘进中 它是扩大掏槽，是大量崩落岩石的主要炮眼。其布置原则应当充分利用掏槽眼所 创造的自由面，最大限度地爆破岩石。一般辅助眼的间距为400800毫米，方向 基本上垂直于工作面，要布置得比较均匀。 周边眼的布置是控制巷道成型好坏的关键。按照光面爆破的要求，其眼口中 心应布置在巷道设计掘进断面的轮廓线上，眼底应稍向轮廓线外偏斜，一般不超 过100150毫米，这样就便于在下循环打眼时钻机有足够的工作空间，同时要 尽量减少超挖量。眼间距必须符合光面爆破的要求，一般取400600毫米。 辅助眼与周边眼的眼底应尽量落在同一深度的平面上。 此外，当工作面岩石的层理或裂缝显著时，要尽量使炮眼与层理垂直或斜交. Date8 巷道掘进中的爆破参数包括：炸药消耗量、炮眼直径、炮眼深度和炮眼数目等。正确 地确定这些参数才能取得良好的爆破效果。 1、炸药消耗量 爆落一立方米实体岩石所需要的炸药量，简称“单位炸药消耗量”。 影响炸药消耗量的因素很多，如岩石性质，巷道断面尺寸，自由面的位置与数目，炮 眼的装药结构，炮眼的直径与深度，以及炸药的性能等。通常，岩石越坚固、巷道断面积 越小，炮眼直径越小，炮眼越深、炸药的爆破性能越差，炸药消耗量则越大；反之，炸药 消耗量就应减少。 到目前为止，还没有从理论上解决计算炸药消耗量的方法。国家对各种岩 石、不同掘 进断面的炸药消耗量进行了统计，书中表3-2列出了矿山井巷工程预算定额中规定的岩 石巷道掘进炸药消耗量定额。在使用时应注意该定额系按岩石巷道用二号岩石硝胺炸药、 煤及半煤岩巷道采用二号煤矿硝胺炸药制定的，若采用其他炸药时，可按表3-3进行调整。 2、炮眼直径 目前普遍采用的炮眼直径，比标准药卷直径3235毫米稍大46毫米，一般为39 41毫米。 3、炮眼深度 炮眼深度直接决定着每茬炮的进尺量，同时又决定着循环工作量。炮眼深度加大了， 钻眼和装岩的工作量都会增加。 在一定条件下，显然浅眼多循环的辅助作业占时间比例要大一些，不利于充分利用工 时；若能采用深眼多循环，对快速掘进是有利的。但在现有设备条件下，炮眼深度除受巷 道断面尺寸、岩石的物理力学性质限制外，还受钻眼机械能力以及爆破技术等方面的限制 ，以常用的YT-24凿岩机为例，当钻眼深度超过2.5m米时，钻眼速度便会明显下降，爆破 效果也不理想。根据经验，当采用气腿式凿岩机和岩石硝胺炸药时，炮眼深度以1.82.5 米为宜。 （三）爆破参数的确定 Date9 4、炮眼数目 炮眼数目直接决定着每茬炮的钻眼时间和钻眼工作量，其数量必须根据工作 面的岩石性质、巷道断面形状和尺寸以及所用的爆破材料，按不同作用的各类炮 眼，分别进行合理布置，最终排列出的眼数就是一次放炮的总炮眼数目。但这个 炮眼数目是否合理，还必须通过实践来验证。 也可按下列公式估算炮眼数目，作为实际排列炮眼的参考：即将一次爆 破所需的额定总炸药量，按照一定的炮眼装填系数，平均装入工作面所有的炮眼 中去，从而估计出所需的炮眼数目。 这是一种估算方法，考虑的原则是将全部额定炸药平均地分配入炮眼内，但 在实践中，为了达到良好的爆破效果，往往掏槽眼的装药量要多些，而周边眼中 的顶眼和帮眼的装药量则应最少。在根据需要分配各类炮眼合理的装药量过程中 ，炮眼数目难免要有增减。为了达到光面爆破的效果，周边眼数应略多些；故实 际的炮眼数目一定会比上述估算的结果稍多几个。 Date10 爆破图表是指导和检查钻眼爆破工作的技术文件。其内容分三部分： 1、爆破条件；2、炮眼布置图，并附有说明表；3、预期爆破效果。 编制爆破图表首先应作充分的调查研究工作，掌握第一手资料，然后根据 所用钻眼设备和爆破器材，进行综合分析，确定一个初步爆破图表，经过若干 个循环的爆破实践，不断完善之后才能正式作为指导钻眼、爆破工作的依据。 表3-4、3-5、3-6为淮北芦岭矿中间车场成巷210米的爆破图表；图3-1为炮 眼布置图。 二、钻眼工作 钻眼工作的好坏直接影响着爆破效果、循环进尺和巷道的工程质量，所以， 必须严格按照爆破图表进行打眼，特别要注意掌握好巷道掘进的方向和坡度。 即检查巷道的中腰线。 为了缩短钻眼工序的时间，提高掘进速度，采用多台凿岩机作业，一般情 况下，每34米2工作面断面配备一台凿岩机。 多台凿岩机作业必须避免拥挤和忙乱，应采用定人、定机、定位、定任务 、定时间的钻工岗位责任制。任务确定后，每个循环都基本不变，这样既利于 工人熟悉炮眼的设计位置、深度、角度、有利于凿岩机的保养。 图32 为以七台凿岩机同时钻眼的作业分工图。 （四）爆破图表的编制 Date11 图32 以七台凿岩机同时 钻眼的作业分工图 三、爆破作业 (一)爆破作业 为了达到预期的爆破效果与施工安全，爆 破作业不能有丝毫马虎。负责爆破工作的放 炮员应由经验丰富的工人专职担任。 装药联线工作应严格按爆破图表进行，并 应建立岗位负责制，做到定人、定眼、包装 、包联，还要设专人检查。 放炮时要特别注意安全，必须严格遵守 煤矿安全规程的规定，认真操作。 巷道掘进时，必须对工作面进行通风，排 除工作地点的炮烟及围岩中放出的有害气体 、降低工作面岩尘浓度、供给施工人员足够 的新鲜空气，改善劳动条件，因此，掘进通 风是保证安全生产和快速施工的一项重要工 序。 Date12 (二)光面爆破 光面爆破（简称光爆）是一种爆破后巷道断面形状、尺寸符合设计要求，表面 光滑，并尽量使巷道轮廓以外的围岩不受破坏的控制爆破方法。 实现光面爆破的措施，主要是控制周边眼的位置及其相应的装药量，并尽量使 各周边眼同时起爆。 根据经验认为周边眼的合理间距以400600毫米为好。在实际应用中，应根据 具体情况，适当加以调整，如在跨度较大的巷道拱顶及边墙部位，眼间距可适当 放大到500600毫米，在拱顶两侧曲率较小的地方则可缩小至300400毫米；在 裂隙、节理发育或层理明显的岩石中，眼间距应适当缩小，同时还要减少装药量 。 第三节 机械掘进 岩巷掘进机是一种能实现破岩，装岩、运输、支护、喷雾除尘等全部工序的 联合机组，所以也称联合掘进机。它具有机械化程度高，施工速度快，效率高和 工作安全等优点。因此，采矿工业正在不稳定巷道掘进中使用。 联合掘进机有部分断面和全断面掘进机两大类型。前者用于不稳定软岩巷道 或煤巷，称为煤巷掘进机，后者用于岩巷，称为岩巷掘进机。 Date13 全断面岩巷掘进机型号较多，其构造大同小异，图3-4所为EJ-30型岩巷掘进 机。由破岩机构、装运岩石机构、推进机构、除尘装置、方向控制装置、瓦斯警 报仪、护顶板、机器支撑油缸，司机室动力及液压系统等组成。 1-刀盘工作机构；2- 铲斗；3-机头架；4-前支撑；5-电动机和减速箱；6-推进油缸；7-水平支撑；8-后支撑； 9-机房；10-除尘器；11-胶带输送机；12-除尘凤筒；13-浮动支撑机构；14-大梁；15-护顶板 一、岩巷掘进机 Date14 煤巷掘进机能够破煤，装煤并能将煤转载到运输设备上。它具有工序少、 进度快、效率高、质量好、施工安全、劳动强度小等优点。掘进机施工煤巷是 我国煤巷及不稳定巷道施工的发展方向。 煤巷掘进机的构造及工作原理大体相同，以ELMB型掘进机为例作简要介绍。 ELMB型煤巷掘进机可用来开掘任意断面形状的巷道，该机除截割部采用电机 、减速器传动外，其余各部均采用液压传动。它可以在坡度不大于12的煤及半 煤岩巷道中工作，适用切割岩石坚固性系数f4的岩层。后配套的转载设备可采 用伸缩胶带机、矿车、刮板输送机等。其构造如图3-5所示。 1-截割头；2-托架器；3- 伸缩油缸；4-减速器；5-升降油缸；6-电动机；7-回转座；8-回转油缸； 9-油箱与泵钻；10-电控箱；11-操纵；12-司机座；13-刮板输送机；14-胶带机；15-导轨架；16-耙爪； 17-铲板；18-铲板油缸；19-主机架；20-行走部；21-起重油缸；22-胶带机转座；23-胶带机升降油缸。 二、煤巷掘进机 Date15 第四节 撞楔人工挖掘 在巷道施工中，经常要穿过断层破碎带，岩石风化带以及稳定性极差的松软岩 层，采用一般的施工方法，往往难以通过。针对这种岩石稳定性很差，短时间暴 露就可能出现冒顶、片帮的特点，在施工时应尽量使围岩暴露时间短，暴露面积 小，甚至不使用围岩暴露。一般在此情况下多采用撞楔人工风镐挖掘法通过。其 施工方法如图3-6所示。 1、3、4-支架；2-撞楔；5-横梁；6-木楔。 在巷道将接近破碎带时，首先紧靠工作面架设支架1，然后从后一架