03第三章_井巷掘进与支护.ppt

第二章井巷掘进与支护,第一节井巷掘进与支护概述第二节巷道掘进第三节巷道支护,第一节井巷掘进与支护概述,一、岩石的分类坚固性系数f（也称普氏系数）,,二、围岩的分类,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，见表32。,三、巷道断面形状及尺寸,（一）巷道断面形状巷道断面形状种类梯形矩形拱形,形状的选择主要取决围岩坚固程度矿山压力巷道的服务年限用途支护方式,,,巷道的选择,回采巷道平巷开切眼,开拓巷道斜井平硐井底车场运输大巷石门,梯形矩形,拱形断面,,,巷道断面形状按其轮廓线分折边形曲边形,,,折边形,矩形利用率高，承载力低，用于压力小的，服务年限短的巷道。,梯形利用率较高，承载力低，用于压力小的服务年限短的巷道。,不规则形根据情况来确定,,三心拱形承压性能好，用于服务年限长的水平、阶段巷道或采区巷道半圆拱形圆弧拱形封闭拱形底臌严重时四周压力很大且不均匀时椭圆形圆形四周压力都大但压力均匀时可用,曲边形,,二巷道断面尺寸,巷道断面,掘进断面刚开掘出未进行支护的毛断面，,净断面支护后的断面,,相应的巷道断面尺寸亦有掘进断面尺寸和净断面尺寸之分。确定巷道断面尺寸的主要依据是巷道的用途、支护方式、运输设备外形尺寸、轨道数目单轨或双轨及煤矿安全规程中的有关规定。,主要尺寸a）巷道的高度（h）;b）巷道的宽度（Ｂ）;c）巷道的净断面积（S）考虑的主要因素根据规程规定来确定行人、通风、运输、设备安装、检修与施工的需要。a）巷道的用途。b）存放或通过的机械，器材或运输设备的数量与规格。c）人行道宽度与各种安全间隙．d）通过巷道的风速．,尺寸确定的步骤a）根据规程、规范和设计因素确定净断面积尺寸。b）进行通风风速验算．c）根据支架参数、道床参数、计算出巷道的设计断面尺寸。d）并按允许加大值（超控值）计算出巷道的掘进断面尺寸．e）绘图、计算工程量和材料消耗表。,Ｖ巷道的风速m/sＱ通过巷道的风量m３/sＶ允规程允许的最高风速主要进风巷≤6m/s运输机巷≤4m/s采区风巷≤4m/s若计算出来的风速大于Ｖ允，则要加大净面积重新调整设计尺寸。,1.巷道净宽度Bm2Abn式中B巷道净宽度，mm；m巷道不行人侧运输设备最突出部分与支护最突出部分的距离不小于300mm，综合机械化采煤矿井为500mm，mm；A运输设备中最大宽度，mm；n人行道宽度不小于800mm，综合机械化矿井为1000mm，mm；b双轨巷道中运输设备之间的最小间隙不小于200mm，mm。,2.巷道净高度式中Ho巷道净高度，nun；ho拱的高度，半圆拱取B/2，三心拱、圆弧拱一般取B/3，mm；h2道碴起巷道的墙高，mm。计算出的巷道净宽度B、净高度Ho值，应根据只进不舍的原则以100mm进级。,3．巷道净断面积半圆拱巷道S净Bh20.39B34三心拱巷道S净Bh20.26B35式中S净巷道净断面积，m2。在计算出净断面积后，还要根据巷道内最大允许风速进行校验，即式中v巷道内的风速，m/S；Q通过巷道的风量，m3/S；v允煤矿安全规程中所允许的最大风速，m/s。巷道的掘进断面，根据风速校验后的净断面及所选用的支护厚度进行计算。,四、巷道施工巷道分类煤巷沿煤层掘进的巷道，在掘进断面中煤层占4/5以上包括4/5时。半煤岩巷若煤层占1/5以上而小于4/5时。岩巷若掘进断面中岩层占4/5以上包括4/5时。,,主要工序有破岩装岩运输支护辅助工序有通风排水挖砌水沟测量铺轨,,,巷道施工方法的选择与巷道所在的围岩性质有关。巷道施工的,钻眼爆破法破岩、掘进机破岩,支护就是对新掘的巷道空间进行及时维护，以防围岩垮落,煤矿安全规程,第二十一条巷道净断面必须满足行人、运输、通风和安全设施及设备安装、检修、施工的需要，并符合下列要求（一）主要运输巷和主要风巷的净高，自轨面起不得低于2m。架线电机车运输巷的净高必须符合本规程第三百五十六条和第三百五十七条的有关要求。（二）采区（包括盘区，以下各条同）内的上山、下山和平巷的净高不得低于2m，薄煤层内的不得低1.8m。采煤工作面运输巷、回风巷及采区内的溜煤眼等的净断面或净高，由煤矿企业统一规定。巷道净断面的设计，必须按支护最大允许变形后的断面计算。,第三百五十六条自轨面算起，电机车架空线的悬挂高度应符合下列要求（一）在行人的巷道内、车场内以及人行道与运输巷道交叉的地方不小于2m；在不行人的巷道内不小于1.9m。（二）在井底车场内，从井底到乘车场不小于2.2m。（三）在地面或工业场地内，不与其他道路交叉的地方不小于2.2m。,第二节巷道掘进,一、钻眼爆破,一钻眼机具旋转式煤电钻煤和软岩中钻眼冲击式风动凿岩机俗称风钻岩石上钻眼1．煤电钻煤电钻由电动机、减速器、手柄、散热风扇和外壳组成，见图所示。,煤电钻的钻眼破岩原理利用轴向推力和旋转的钎刃切削岩石，切削下来的岩石碎屑，沿着钎杆的螺旋沟排出或用压力水排出。,,煤电钻外壳要求铸铝合金制成严密隔爆轴向散热片（由风扇冷却）手柄上设有开关扳手手柄包有绝缘橡胶防触电。,煤电钻主要适用条件,煤层ƒ4的岩层,,在f4～6的岩石中钻眼时，可用岩石电钻。岩石电钻的破岩方式也为旋转式破岩，但由于电机容量大、重量大，钻进时需要很大的轴向推力，故有自动推进与支撑设备。,2．凿岩机凿岩机是岩巷掘进常用的一种钻眼机具，它以压缩空气为动力，冲击式破岩完成钻眼工作。应用最为广泛的是气腿式凿岩机，其机身下面设有一个联动的气腿，斜撑于地面，起支撑和推进作用，主要用于打水平和倾斜方向的炮眼。外形如图所示。,凿岩机的凿岩原理利用压缩空气推动机体的活塞作快速往复运动，活塞不断冲击钎杆尾部，使钎刃凿入岩石。每冲击一次，钎杆都要旋转一定的角度，使每次冲击钎刃始终作用在新的岩面上，并及时排出岩石碎屑。冲击、转钎、排粉往复循环，凿出圆形炮眼。凿岩机钎杆六角形空心凿岩机钎头一字形或十字形镶硬质合金刃片制成。,3、新型钻眼机具1独立回转风钻2全液压钻机3凿岩台车,二矿用炸药及起爆器材二、炸药及其分类炸药是在一定条件下能够发生快速化学反应，放出热量，生成大量气体，显示爆炸效应的化合物或混合物。炸药的分类按组成分为单质炸药和混合炸药按用途分为起爆药猛炸药发射药,,煤矿安全规程,第三百二十条规定井下爆破作业，必须使用煤矿许用炸药和煤矿许用电雷管（1）低瓦斯矿井的岩石掘进工作面必须使用安全等级不低于一级的煤矿许用炸药。（2）低瓦斯矿井的煤层采掘工作面、半煤岩掘进工作面必须使用安全等级不低于二级的煤矿许用炸药。（3）高瓦斯矿井、低瓦斯矿井的高瓦斯区域，必须使用安全等级不低于三级的煤矿许用炸药。有煤（岩）与瓦斯突出危险的工作面，必须使用安全等级不低于三级的煤矿许用含水炸药。,第三百二十条规定在采掘工作面，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。,1、爆破材料与器材炸药、雷管、起爆器、导线。１）炸药Ａ）单质炸药；Ｂ）硝酸铵炸药；Ｃ）浆状炸药；Ｄ）硝化甘油炸药；Ｅ）黑火药。,1．矿用炸药炸药的种类（采矿工业）硝铵类炸药硝化甘油炸药硝铵类炸药主要成分硝酸铵,煤矿井下广泛使用铵梯炸药，铵梯炸药的主要成分硝酸铵NH4N03梯恩梯[C6H2N023CH3]木粉食盐石蜡沥青,,,梯恩梯性质淡黄色片状结晶，作为催化剂它可提高硝铵炸药的敏感度，使炸药可用普通雷管起爆。木粉松散剂，使炸药疏松不易结块。食盐消焰剂，它不参与爆炸反应。作用是吸热降低爆温，对引爆瓦斯能起阻化作用。在有瓦斯或煤尘爆炸危险的矿井中，必须使用含有食盐粉的炸药即煤矿许用炸药。石蜡、沥青防潮剂，主要用以降低硝酸铵的吸潮能力。,硝化甘油炸药（胶质炸药）在硝化甘油中溶入3％～5％的硝化棉，为柔软的胶状体。由于它在制造使用过程中安全性较差，成本较高，在我国煤矿井下很少使用，仅在无瓦斯煤尘爆炸危险、多水及坚硬岩石工作面才有应用。,2．起爆器材1）雷管火雷管利用导火索起爆的雷管（煤矿不用）,电雷管利用通电电能起爆的雷管煤矿常用,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。国产发爆器按其一次引爆能力发分为50、80、100、150等几种。,3导爆索分类为普通导爆索安全导爆索,3．炮眼布置爆破参数单位炸药消耗量炮眼直径炮眼深度炮眼数目,炮眼直径取决于药卷直径，为便于装药，炮眼直径应比药卷直径大4～6mm。炮眼深度掘进巷道的炮眼深度多为1.5～2.5m。炮眼数目一般根据经验估算，经过实践不断调整，最后确定合适的炮眼数目。,,掘进工作面炮眼布置与岩石性质、巷道断面、装药量等有关。按炮眼的用途分为掏槽眼、辅助眼和周边眼三种，如图所示。,掏槽眼1～5,辅助眼6～22,周边眼23～45,掏槽眼1～5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。,辅助眼6～22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。,周边眼23～45是控制巷道成形的炮眼，最后起爆。周边眼多采用光面爆破。光面爆破的技术要求是爆破后巷道轮廓线与周边眼相切，在岩面上残留的半圆形炮眼痕迹占周边眼总数的一半以上，岩面上不出现明显的爆破裂缝，巷道岩壁上局部凹凸不超过50mm。,为了达到比较理想的光面爆破效果，周边眼的眼距一般控制在400～600mm，装药量不宜太大，采用小直径药卷，并使药卷沿炮眼长度方向均匀分布，以减小对岩壁的破坏作用。周边眼的眼口应基本布置在巷道设计掘进断面的轮廓线上，眼深一致，方向尽量平行于巷道轴线。光面爆破使巷道成形规整，围岩破坏小，稳定性高，有利于锚喷支护，巷道施工安全，已被广泛应用。,4煤矿安全规程中有关规定装药联线和放炮，必须严格执行煤矿安全规程中有关规定。如装药前，首先必须清除炮眼内的煤粉或岩粉，再用木质或竹质炮棍将药卷轻轻推入，不得冲撞或捣实；装药后，必须把电雷管脚线悬空，严禁电雷管脚线、爆破母线与运输设备、电气设备以及采掘机械等导电体相接触；炮眼封泥应用水炮泥，水炮泥以外剩余的炮眼部分应用黏土或用不燃性、可塑性松散材料制成的炮泥封实。严禁用煤粉、块状材料或其他可燃性材料作炮眼封泥；井下爆破工作必须由专职爆破工担任；爆破作业必须编制爆破作业说明书，爆破工必须依照说明书进行爆破作业等。,第三节巷道支护,一、巷道地压简述1．地压的概念原岩地下岩体在未受到开采影响时。原岩处于复杂的受力状态，承受着上部岩层自重应力、地质构造应力和由于地温、地下水、瓦斯等引起的应力等，但主要还是受岩石的自重应力。原岩的应力处于原始平衡状态，因此岩石不会发生变形和移动，也不会受到破坏。,地压显现巷道围岩与支架的变形和破坏现象。地压由于围岩的变形或破坏而作用在支架上的力。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。,2．自然平衡拱的形成巷道开掘后，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，自然平衡拱的形状和高度与巷道顶部岩石性质和巷道宽度有关。如果巷道开掘后立即进行支护，支架就以其本身的承载能力阻止或减小岩石的变形和移动，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，如在软岩石或离地表不深的地方，顶板岩石会一直冒落到将巷道全部充满，甚至引起地表沉陷。,二、巷道支护材料矿用支护材料主要有木材、石材、金属材料、混凝土、钢筋混凝土和水泥砂浆等。一木材（坑木）树种松木、杉木、桦木、榆木、柞木等。,优点重量轻、容易加工、容易架设和具有可塑性。缺点强度小，易腐朽，使用年限短（潮湿时1-2年，干燥时2-5年），不耐火、不能防火。形状以梯形棚子属多。,二金属材料材料种类工字钢、角钢、槽钢、轻便钢轨、矿用工字钢、特殊工字钢、矿用特殊型钢等。优点强度大,可支撑较大的地压，使用期长，可多次使用，要装容易，耐火性强，可制成可缩性结合。缺点初期投资较大，重量较大，搬运、修理困难。,三石材天然石料强度高而且有耐久性，有些历经数百年不变形。密度选择密度大的石料，其吸水性小、抗冻性大，强度高。抗压强度根据707070mm立方体石料试件在干燥压态下的抗压强度极限值，将天然石料划分为Mu10、15、20、30、40、50、60、80、100等几个强度等级。,四水泥1）水泥普通硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥矿碴硅酸盐水注意水泥标号,强度、养护期,五混凝土普通混凝土是由水泥、砂、石子和水按适当比例配合而制成的人工石。混凝土的强度以抗压强度最大，主要承受压力，一般不承受拉力（拉力由钢筋来承受）。混凝土标号予以150nm见方的立方体试块，在标准条件下，在28天后用标准试验方法测得的具有95，保证净的抗压强度,分为十二个级别C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C50、C60。,六砂浆砂浆由胶结材料、水及砂子配合而成。,按所用胶结材料不同水泥砂浆石灰砂浆混合砂浆,混合砂浆是水泥和石灰两种胶结材料混合使用的砂浆，多用于地面建筑工程。,水泥砂浆是以水泥作为胶结材料，在井巷工程中应用较广,石灰砂浆是以石灰作胶结材料，多用于地面建筑砌体中或抹面用。,,三、巷道支护类型一棚式支护1．木支架木支架重量轻，加工架设容易，是在井巷支护中使用最早的支架。但木支架复用率低，强度低、不防火，在井巷工程中使用日渐减少。主要在断面小、服务年限短的回采巷道和巷道维修时使用。,2．金属支架支架梁和支架腿常用16～20号矿用工字钢或18～24kg/m钢轨制成。架设时要求支架梁腿连接牢固可靠，拆卸方便。为了防止支架腿受压陷入底板，可在其下端焊一块钢板或加垫木。金属支架虽然初期投资大，但强度高、体积小、防火，还可回收复用，是良好的坑木代用品。多用于回采巷道。,3．装配式钢筋混凝土支架充分利用了昆凝土和钢筋的受力特性，承载能力强，在地压稳定、服务年限长的巷道中应用，但由于支架重量大，架设不方便，在井巷支护中已很少采用。,二石材整体式支架石材整体式支架是由料石、}昆凝土或钢筋混凝土砌筑而成的连续整体式支架，多为直墙拱顶式图315，由拱、墙和基础三部分组成。拱的作用是承受顶压，并向墙和两帮传递。墙起支承拱和抗侧压作用，要求墙后必须充填密实，以保持整体的稳定性。基础部分将墙传递来的荷载和自重均匀传递给底板。当底板岩石坚硬时，墙与基础可以等厚，如遇松软底板，基础必须加宽。石材支架坚固耐久、阻水、防火、通风阻力小、材料来源广，但施工复杂，成本较高。石材支架适用于服务年限长，采用锚喷网联合支护优越性不显著的巷道。,三锚喷网联合支护棚式和石材支架都是在巷道围岩的外部对岩石进行支撑，支架只是消极地承受围岩产生的压力和防止破碎岩石的冒落。国内外实践表明，锚杆、喷射混凝土水泥砂浆、挂金属网联合支护作为一种积极防御性支护方法，几乎适应于各种不同地质条件下的井巷工程。,1．锚杆锚杆是一种锚固在岩石体内部的杆状体。锚杆支护是在巷道开掘后，向围岩打锚杆眼，然后将锚杆固定在锚杆眼内，利用锚杆与围岩的共同作用，达到维护巷道稳定的目的。巷道开掘阶段围岩破坏范围小，锚杆安设以后能及时控制顶板下部岩层的滑动、离层和失稳，在围岩周边形成一个不仅能维持自身稳定，而且能阻止更大范围内围岩松动和变形的加固拱，锚杆起挤压加固作用，如图316所示。实践证明，锚杆安装越及时，预紧力越大，则效果越好。锚杆悬吊作用示意图,当锚杆能深入到上部稳定岩层时，锚杆可将破坏区内的岩层和稳定岩层相连，阻止破坏岩层垮落，锚杆起悬吊作用，如图317所示。同时锚杆提供径向和切向约束，阻止破坏区岩层移动，提高岩层的水平承载能力，使岩层内的应力分布均匀，锚杆工作阻力越大，效果越明显。,当锚杆不能介人到上部稳定岩层时，锚杆的作用主要为阻止锚固区域内岩层的移动，从而提高岩层承载能力而形成承载层，锚杆起使岩层形成组合梁的作用。它可以阻止上部岩层的进一步移动，有利于巷道的稳定。锚杆种类很多，常用的有以下几种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快硬膨胀水泥锚杆。,2．喷射混凝土或喷射水泥砂浆一般喷混凝土重量配合比为水泥砂子石子11.5～2.51.5～2.5。喷水泥砂浆的重量配合比水泥砂子12～3；水灰比0.45～0.55。喷射混凝土和锚杆一样，能和岩层共同作用来维护巷道，故可大大节约支护材料，减薄支护厚度，减少岩层的挖掘量，提高巷道的施工速度。,3．联合支护类型1锚喷支护。锚喷支护指锚杆与喷射}昆凝土喷水泥砂浆联合支护，这种支护坚固耐用、安全可靠、成本低。这种支护形式主要应用于围岩中等稳定、巷道掘进后容易出现局部冒落或马头门、交岔点等围岩集中应力较大的地点及受采场动压影响的采区巷道。2锚网支护。锚杆加金属网联合支护称锚网支护。金属网多用铁丝织成网孔为50mm50mm的网片，用托板固定或绑扎在锚杆端头。其作用是维护锚杆问的围岩，防止松动小块岩石掉落。该支护方法工艺简单，支护成本低，可用于围岩稳定性较差、垮度小、服务年限不长的回采巷道。,3锚喷网支护。锚喷网支护是锚杆、喷混凝土喷水泥砂浆加金属网的联合支护形式。,