a井巷工程第一章岩石的性质及工程分类

井巷工程

井巷施工是煤矿生产的一项经常而重要的工作。其最基本的过程就是把岩石从岩体上破碎下来，形成设计要求的断面，然后对地下空间进行必要的维护，防止岩体破碎或跨落。因此，破岩与井巷维护成为井巷工程的主要问题。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，了解岩石和岩体的基本属性，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，具有重要的意义。因此，在这一章主要讲述岩石的一些基本性质，包括岩石的物理性质和力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程分级一直是工程设计的基本依据之一，将在本章的最后进行讲授。本章的重点是围岩分级。第一节

概述岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，必须注意到岩块的非均匀性、各项异性和不连续性等问题。岩石是由一种或多种矿物组成。按成因不同岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。第一章

岩石的性质及工程分类1.岩块、岩体和岩石

1）.岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料

2).岩体（RockMass）：指地下工程周围较大范围内的自然地质体岩体＝岩块（岩石材料）＋弱面（层理、节理、断层)3).岩石：不分岩块与岩体的泛称。由于弱面具有强度低、易变形的特点，故岩体强度通常小于岩块强度。第二节岩石力学性质

一、岩石的单轴压缩应力—应变曲线单轴压缩试验设备1.)裂隙压密闭合阶段—OA2.)线弹性阶段—AB3.)裂隙发展阶段—BC4.)软化阶段—CD二、岩石在三轴压缩条件下的力学性质由图可见，围压对岩石变形的影响：1.随着围压的增大，岩石的弹性极限变化不大；2.随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；

3.随着围压的增大，岩石的变形显著增大；即表现出明显的塑性变型

4.）随着围压的增大，岩石的屈服极限、强度峰值和残余强度显著增大；

5.)达到临界围压以后继续提高围压，应力应变呈单调增长趋势。

通过上述分析围压对岩石变形影响，使我们认识到围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。岩石的强度特征

⑴多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于3％的应变）；⑵同一种岩石的强度并非常数；⑶在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊

从荷载性质看：单向抗压强度＞单向抗剪强度＞单向抗弯强度＞单向抗拉强度

从应力状态看：三向抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度三、岩石的强度在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能力——岩石强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩单向抗压强度RC、单向抗拉强度Rt

、剪切强度之间数量关系:RC=(5~38)RtRC=(2~15)四.岩石的动力学性质岩石在冲击荷载作用下其强度均比静荷载作用下要大。第四节

岩体工程分类

分类的目的（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2）便于施工方法的总结,交流,推广。（3）便于行业内技术改革和管理。遵循的主要原则

（1）分类形式要简单，含义要明确。（2）分类应具科学意义和实用价值。（3）分类指标不易过多并应容易获得。指标过多，必须增加研究工作量，不便推广和应用。（4）分类应明确表达出岩体的基本特性和影响岩体稳定性的主要因素。（5）分类方案应体现超前预报性，即在巷道设计、施工之前，人们要了解到未来巷道开挖后围岩稳定状态和不同稳定类型岩体的空间分布。这一分类方案不仅便于设计、施工部门应用，而且应当被勘探部门所接受。普罗托奇亚可夫于1926年提出：共划分为10级15种1.普氏系数分类法

存在问题：这一分类主要考虑的是岩石强度（单轴抗压强度），对岩体的完整性、岩体结构特征等对围岩稳定有决定影响的因素，在分类中没有表达出来，因此不能正确地评价围岩的稳定性。

提出以f

计算围岩压力的公式。形成了为坑道施工、设计服务的一整套理论和方法。而且表达形式简单，使用非常方便。因此1954年至1972年这一阶段，我国铁道、水电、冶金、煤炭、机械、建工、军工等部门都采用了普氏分类。表6-1岩石强度分级表级别坚固性程度岩石坚固性系数fI最坚固的岩石最坚固、最致密的石英岩及玄武岩，其它最坚固的岩石20II很坚固的岩石很坚固的花岗岩类：石英斑岩，很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固程度较I级岩石稍差的石英岩；最坚固的砂岩及石灰岩15III坚固的岩石致密的花岗岩及花岗岩类岩石，很坚固的砂岩及石灰岩，石英质矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石10IIIa坚固的岩石坚固的石灰岩，不坚固的花岗岩，坚固的砂岩，坚固的大理岩，白云岩，黄铁矿8IV相当坚固的岩石一般的砂岩，铁矿石6IVa相当坚固的岩石砂质页岩，泥质砂岩5V坚固性中等的岩石坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩4Va坚固性中等的岩石各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩，3VI相当软的岩石软的页岩，很软的石灰岩，白垩，岩盐，石膏，冻土，无烟煤，普通泥灰岩，破碎的砂岩，胶结的卵石及粗沙砾，多石块的土2VIa相当软的岩石碎石土，破碎的页岩，结块的卵石及碎石，坚硬的烟煤，硬化的粘土1.5VII软岩致密的粘土，软的烟煤，坚固的表土层1.0VIIa软岩微砂质粘土，黄土，细砾石0.8VIII土质岩石腐植土，泥煤，微砂质粘土，湿砂0.6IX松散岩石砂，细砾，松土，采下的煤0.5X流沙状岩石流砂，沼泽土壤，包含水的黄土既包含水的土壤0.3

根据f值的大小，将岩石分为10级共15种。我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：软煤：f＝1～1.5

硬煤：f＝2～3

软岩：f＝2～3

中硬岩：f＝4～6

硬岩：f＝8～10

坚硬岩石：f＝12～14

最坚硬岩石：f＝15～20

2.

岩芯质量指标

Rockqualitydesignationindex--RQD

美国伊利诺斯大学狄勒（Deere）在1964年形成该标准，但直到1967年才以出版的形式首次提出该概念。RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。RQD指标在美国及欧洲有广泛应用，它是评估岩芯质量的简单、费用省并能再现的方法。尽管其本身并不是岩体的充分描述，但该指标仍然作为分类参数，在隧道工程中用作选择隧道支护时的参考，发现非常有用。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100岩石质量很差差一般好优秀

尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体的充分描述。

3.按施工需要分类

1988年，煤炭工业部根据全国58条试验巷道的地质特征、井巷开拓后围岩的稳定状态，共为五类：本章思考题1．岩石、岩块、岩体的区别与联系。2．什么是岩石的全应力－应变曲线？简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征？4．在三轴压缩条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？4．简述岩石的强度特征。5．如何得到岩石的坚固性系数f？什么是RQD分级法？6．根据围岩的稳定状态，围岩可划分为几类？第二章凿岩爆破技术

井巷施工首先要破碎岩石，常用的破岩方法有机械破岩和钻眼爆破破岩两种。目前使用最普遍的是钻眼爆破破岩。

钻眼爆破法掘进就是在采掘工作面采用钻眼机具钻凿炮眼，安放炸药、破碎煤岩，形成所需断面。因而，钻眼爆破可分为二项主要工作：钻眼、爆破。

本章主要内容：

1.围绕钻凿炮眼的机具，主要介绍炮眼的钻凿原理和常用的钻眼机具；

2.炸药的主要性能参数、矿用炸药的种类；

3.常用起爆器材工作原理；

4.岩石破碎机理及光面爆破的实质。破岩方法1.钻眼爆破方法2.机械掘进法第一节钻眼机具钻爆法施工：掘进工序：钻眼——装药联线——放炮通风——装岩运输——支护工具设备：凿岩机——炸药——局部扇风机——装岩机——锚、喷、网、架煤电钻雷管、放炮器风筒矿车电机车、矿车一、凿岩机凿岩机分类按动力：风动、电动、液压和内燃按破岩机理：冲击式、旋转式、冲击旋转式二、常用的凿岩设备

手持式机重20kg以下

风动凿岩机气腿式机重30kg以下导轨式机重35～80kg

向上式机重40～45kg⑴冲击式破岩电动凿岩机气腿式机重25~30kg

导轨式机重30kg以下液压凿岩机导轨式机重130～360kg

内燃机机重30kg以下煤电钻手持式机重18kg，功率1.2kw⑵旋转式破岩电钻岩石电钻导轨式机重35~40kg功率1.2kw

液压钻导轨式⑶旋转冲击式潜孔钻机台车式（4~6吨），架钻式（150～360kg）伞形钻架凿岩台车三.风动凿岩机的构造与工作原理风动凿岩机以压缩空气为动力。按其支架方式分为：

手持式——目前很少使用。气腿式——目前应用比较广泛。向上式——专用于反井和打锚杆眼施工。导轨式——与凿岩台车和钻装机配合使用。按冲击频率分为：

低频——冲击频率<2000次/min

中频——冲击频率为2000~2500次/min

高频——冲击频率>2500次/min按重量分为：

轻型重型㈠风动凿岩机的构造

⑴柄体A：进气进水管道、操作阀、气腿的调压阀和换向阀、水针。⑵缸体E：阀柜D、配气阀C、棘轮和旋转棒B、活塞F、消音罩。⑶机头H：锤G、转动套I、钎卡和外壳。⑴柄体2⑵缸体3⑶机头7YT-23气退凿岩机构造排气口活塞前端面配气阀片㈡工作系统冲击机构：气缸+活塞+配气装置

回程排气口2.旋转机构：内棘轮+螺旋棒+活塞+转动套

冲程——活塞直线运动，带动旋转棒旋转回程——旋转棒迫使活塞旋转，带动转动套、钎杆旋转。3.排粉系统：

风水联动注水机构－开钻供水、停钻停水

湿式排粉—压力水，水压比风压低0.1~0.2MPa4.润滑系统：注油器，3~5ml/min

悬挂式：悬挂在风管弯头处，容油量较小；落地式：放在离凿岩机不远的进风管中部，容油量较大㈢气腿凿岩台车

国产CGJ-2型凿岩台车，配备两台YT－24凿岩机，轨轮式风动马达丝杠推进，直流电动机驱动轨轮行走One-boomrigThree-boomrig（四）

破岩原理冲击（冲击功）—旋转—排粉适用于硬岩冲击力四.液压凿岩机1.构造⑴冲击机构：油缸+活塞+配油装置（油压在10MPa以上）⑵旋转机构：独立外回转机构

液压马达带动齿轮⑶排粉系统：侧向供水排粉2.优缺点⑴钻速高（纯钻速2~3倍）⑵可调整（功率可调整，钻凿较深和直径较大的孔）⑶自润滑⑷可钻硬岩、大直径深眼⑸环卫好（噪音低10~15分贝，90分贝以下，没有油雾水气）。

五.旋转式钻眼机械煤电钻

⑴适用条件：煤及f＜3的岩层。⑵构造：散热风扇+开关手柄+电动机+减速器+钎套筒

电压127v，功率1.2~2.0kW（多为1.2kW），转速2700转/分。

通过二级加速器：600转/分供煤仓用，400转/分供硬煤和软岩

外壳为铝合金铸造，密封防爆。

⑶轴推力：人力推顶。

[适用范围]本系列煤电钻适用于煤矿井下及其周围介质中有甲烷、煤尘等爆炸性混合物气体的环境中，在交流50Hz，电压为127V的供电网络中，在回采及掘进工作面对中硬和硬煤层钻眼之用。[产品特点]1、结构紧凑，型式多样，有普通型、强力型、湿式型等。2、扭矩大，适合中硬和硬煤层钻眼。ZM系列矿用隔爆型手持式煤电钻岩石电钻组成：电动机、减速箱、牵引装置、机壳和供水装置适用条件：电钻适用于在f=4～6的岩石中钻眼。六、凿岩机的钎子1.整体钎子：2.组合钎子

一字形：速度快、制造和修磨简单、磨损快、易夹钎

形状十字形：速度慢、孔圆⑴钎头球齿形：硬岩钻眼材料钎头体：合金钢，55SiMnMo、40MnMoV

钎刃：钨钴类合金。a)镶KO型硬质合金片;b)镶K1型硬质合金片标准直径十字形钎头钎头结构参数①刃角，110o②隙角，3o③弧形钎刃，180mm曲率半径④钎头直径，38~43mm⑤排粉沟

钎肩：环形（六角形钎杆）、耳形（圆形钎杆）组成钎尾：108mm±1.0mm（淬火硬度HRC49~55）

中心孔：⑵钎杆端面形状:中空六角形

中空圆形（重型导轨式凿岩机）材料：合金钢、钨钴合金⑶钎头和钎杆的连接：锥形连接，锥角度为7°，插入深度24~38mm

（留有过渡缝隙6～8mm）

麻花钎子

⑴钻头3.电钻钎子：⑵麻花钻杆：菱形或矩形七、提高凿岩效率的措施1.合理选择与正确使用凿岩机（加强保养与维修工作）；2.保证气压（气压增减0.1MPa钻速增减30％左右）；3.合适的轴推力；4.正确确定眼径和眼深（φ＝38~46mm,L<5m)；5.改善劳动组织，提高工时利用率；6.快速排除故障。

第二节炸药与爆炸现象一、爆炸现象物质在急剧的物理变化或化学变化过程中，使周围介质受到破坏，同时发出光和热，并伴随巨大响声。爆炸分类核爆炸：物质的原子核发生裂变或聚变。（原子弹）物理爆炸：物态变化，化学成分不变。（锅炉、气球等）化学爆炸：不仅物态变化学成分也变。（炸药）二、炸药爆炸的特征放热量大——做功的能源产生气体多——做功的介质反应速度快——单位时间放出大量能量三、炸药的爆炸形式缓慢分解：在整个炸药内部进行爆轰：反应速度达数km/s爆燃：反应速度为数m/s四、炸药及分类（一）炸药主要成分（二）炸药的分类单质炸药猛炸药CHNO按组成成分按用途混合炸药起爆药发射药（三）炸药的氧平衡炸药内含氧与充分氧化可燃元素所需氧量之间的关系——氧平衡2）正氧平衡：（反应生成NO或NO2)反应时吸收热量1）零氧平衡：（反应生成CO2、H2O和N2）放热量最大，无有毒气体3）副氧平衡：（反应生成CO、游离炭）放热量较小，生成有毒气体五、炸药的性能参数猛度爆力敏感度爆速第三节工业炸药工业炸药基本均为混合炸药，一般在配方中添加单质猛炸药，改变炸药的爆炸性能。单质猛炸药梯恩梯（TNT)黑索金(RDX)太恩炸药炸药一般分为煤矿、岩石和露天炸药三类。岩石炸药用于井下无瓦斯、无煤层爆炸危险的岩石爆破作业；煤矿许用炸药配方中添加了消焰剂，以吸收热量、降低爆温，防止引起瓦斯爆炸，故用于有瓦斯或煤层爆炸危险的矿井使用；露天炸药为廉价炸药，猛炸药含量最少。煤矿铵梯炸药煤矿水胶炸药煤矿乳胶炸药离子交换炸药被筒炸药岩石铵梯炸药岩石水胶炸药露天炸药——————1号威力SM-12号3号抗水3号————SM-3低瓦斯适用条件高瓦斯煤层瓦斯突出低瓦斯高瓦斯2号3级4级高瓦斯煤层瓦斯突出煤层瓦斯突出最危（安全度最高炸药）1号2号————抗水2号抗水4号————1号2号3号SM-2炸药种类煤矿许用炸药岩石炸药中硬岩软岩硬岩高低第四节起爆器材一、电雷管普通瞬发电雷管秒延期电雷管毫秒延期电雷管毫秒延期电雷管瞬发电雷管煤矿非许用雷管煤矿许用电雷管（一）瞬发电雷管构造管壳加