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1、巷道掘砌理论培训课件,授课人：王运福菏泽煤电公司安全教育培训中心,井巷施工的最基本工作就是破岩与维护。,引 言,岩石：是由一种或多种矿物组成的。每种矿物都有一定的内部结构和固定的化学成份，因而各具有一定的物理性质和形态。,岩体岩块（岩石材料） 弱面（层理、节理、断层）,岩块：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料。岩体：指岩石工程周围较大范围内的自然地质体 。,一、概 念,表土：指覆盖在地壳上部的第四纪沉积物如黄土、粘土、流砂、淤泥、砾石等。基岩：表土以下固结性岩石的统称。 煤系地层中最常遇到的是各种沉积岩，如砂岩，页岩等。,岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性质。例
2、如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的；在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。,二、岩石物理性质,1、相对密度（比重）：取决于组成岩石的矿物的相对密度。,（一）、岩石的比重与密度,2、密度（容重）（kN/m3）。分为干密度和湿密度。,3、说明：岩石由固体、空气和水组成；干湿密度的区分对粘土类矿物意义重大。取决于矿物成分、孔隙度和含水量。与埋深也有关。,指岩石的裂隙和孔隙发育的程度，用孔隙度n和孔隙比e来表示。,随着岩石孔隙度增大，一方面消弱了岩石的整体稳定性，使其密度和强度降低，透水性增大；另一方面会增加风化速度。进一步降低力学强度和增大透水性。,（二）、岩石的孔隙性,1、吸水率,（三）、
3、岩石的水理性质（吸水率、透水性、溶蚀性、软化性、膨胀性和崩解性）,岩石吸水率大小取决于岩石中的孔隙、裂隙数量和大小、开裂程度及其分布情况，并且与试验条件有关。时间和尺寸均有影响。,2、透水性：岩石能被水透过的性能。与地下水水头、岩体应力、孔隙度、孔隙大小及其连通程度有关。,岩石样品渗透性的确定对实际问题的意义，例如：将水、油或气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物；为了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深处洞室的海水，或预估流入隧洞的水量等。,3、溶蚀性：由于水化学作用而把岩石中某些物质带走的现象。4、膨胀性和崩解性：前者是指岩石浸水后体积增大和压力
4、增大的性能；后者是指浸水后发生解体的现象。5、软化性,（四）、岩石的碎胀性,意义：采场管理、提升运输、充填效果、围岩压力等。,1.岩石的强度：岩石抵抗外力破坏的能力。,单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩,2.岩石的硬度：岩石抵抗其它较硬物体侵入的能力。3.岩石的可钻性与可爆性,三、 岩石力学性质,我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：软煤： f 11.5硬煤： f 23软岩： f 23中硬岩： f 46硬岩： f 810坚硬岩石： f 1214最坚硬岩石： f 1520,四、凿岩技术与设备,开挖方法,（1）钻眼爆破法,（2）机械掘进法,破岩原理与设备,1. 冲击式破岩。钻眼原理：冲击（冲
5、击功）旋转排粉。适用于硬岩。代表机具：凿岩机,冲击力,一、破岩原理,2. 旋转式破岩。钻眼原理：压入（轴压）旋转切削排粉。适用于软弱岩层或煤层。代表机具：煤电钻,轴压力,回转力矩,适用于大直径、中硬岩，露天深孔爆破 代表机具：潜孔钻机 。,3. 旋转冲击式。钻眼原理：冲击式和旋转式的结合。压入（冲击功+轴压）旋转切削冲击排粉。,两种破岩方法比较,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3580kg 向上式 机重4045kg 冲击式破岩 电动凿岩机 气腿式 机重2530kg 导轨式 机重30kg以下 液压凿岩机 导轨式 机重130360kg
6、 内燃机 机重30kg以下 煤电钻 手持式 机重18kg ，功率1.2kw 旋转式破岩 电钻 岩石电钻 导轨式 机重3540kg 功率1.2kw 液压钻 导轨式 旋转冲击式 潜孔钻机 台车式（46吨），架钻式（150360kg）,伞形钻架凿岩台车,凿岩机的构造与工作原理,风动凿岩机可分为低频、中频和高频。冲击频率在2000次/min以下为低频，20002500次/min为中频，超过2500次/min为高频。国产气腿凿岩机，除YTP26等少数为高频外，均为低、中频凿岩机。,手持式凿岩机目前使用很少。气腿式凿岩机因重量和手持式差不多，但有气腿支撑，可减轻体力劳动，在岩巷掘进中应用较广。,一、风动凿
7、岩机的构造与工作原理,及时加油合适的轴推力（克服反冲）压气压力，大于0.5MPa水压低于风压，供水不中断钎子质量好,凿岩机的使用,1.构造 冲击机构：油缸 + 活塞 + 配油装置（油压在10MPa以上） 旋转机构：独立外回转机构 液压马达带动齿轮 排粉系统：侧向供水排粉2.优缺点 钻速高（纯钻速23倍） 可调整（功率可调整，钻凿较深和直径较大的孔） 自润滑 可钻硬岩、大直径深眼 环卫好（噪音90分贝以下，没有油雾水气） 。,二、液压凿岩机, 适用条件：煤及 f3 的岩层。 构造：散热风扇 + 开关手柄 + 电动机 + 减速器 + 钎套筒 电压127v，功率1.22.0kW（多为1.2kW），转
8、速2700转/分。 通过二级加速器：外壳为铝合金铸造，密封防爆。 轴推力：人力推顶 。,三、旋转式钻眼机械煤电钻,适用范围： 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,钻眼工具,一、凿岩机的钎子,1. 整体钎子：,2. 组合钎子,齿轮式气马达顶板锚杆钻机 柱塞式气马达顶板锚杆钻机,29,巷道是井下生产的动脉，巷道断面设计合理与否，直接影响煤矿生产的安全和经
9、济效益。,位置及围岩性质用途及服务年限支护材料和支护方式掘进的方式和设备岩石巷道，锚喷支护，拱形断面煤层巷道，锚杆、锚索支护或金属支架，梯形断面,五 巷道断面形状,31,（一）. 巷道净宽度,定义：巷道两侧内壁或锚杆露出长度终端间的平距。,六 巷道断面尺寸,32,H= h0 + h3 hb h0拱高 h3墙高，只进不舍， 并按0.1m进级,（二）. 巷道净高度的确定,33,（三）.水沟及管线的布置,1. 水沟。 位置、坡度：纵向：35、形状、支护：,设计规范规定 大巷水沟应布置在人行道同侧。水沟宜采用混凝土浇灌，并设置预制钢筋混凝土盖板。当水中含煤泥较多、沿沟清理不便时，应在适当地点设置小型沉
10、淀池。,34,管子悬吊在人行道一侧，电力电缆挂在非人行道一侧，通讯电缆挂在管子上方。,布置巷道内管线,方向：中线：激光指向仪或三点延线法,JZB1型激光指向仪示意图,DQJ-05型激光指向仪（矿用） 技术参数：射程： 500m 中心光斑直径: 500m处50mm 输入电压： AC127/220V 重量： 14kg 尺寸： 480200230 (mm),1. 定向工作：,七、巷道施工,坡度：腰线倾斜仪,施工验收规范规定 巷道的施工必须标设中线及腰线，并应符合下列规定： 一、用激光指向仪指示巷道掘进方向和标高时： 1指向仪的设置位置和光束的方向，应根据经纬仪和水准仪标定的中线和腰线点确定，中线和腰
11、线点每组不宜少于3个，组间的距离宜大于30m； 2指向仪的设置应安全可靠，仪器与掘进工作面的距离不宜小于70m，每次使用前应以中线和腰线检查激光光束。 二、用经纬仪标设直线巷道方向时，宜每隔30m设中线一组，每组不应少于3条，其间距不宜小于2m； 三、用水准仪标设巷道坡度时，宜每隔20m设置3对腰线点，其间距不宜小于2m； 四、巷道沿倾斜煤层顶板或底板的施工，倾斜巷道可只挂中线，水平巷道可只设腰线； 五、巷道掘进每隔100m应对中线和腰线进行一次校核。,八、装岩与运输,平巷用途 斜巷 装煤 装岩 轮胎式行走机构 履带式 轨轮式 后卸式 铲斗式 侧卸式工作机构 耙斗式 蟹爪式 立爪式,一.装岩设
12、备,二. 装岩机的选择实际条件：断面大小、价格操作水平：难易程度、可靠性、维修保养条件装载机：装载宽度和生产率、效率、适用性及配套设备,三种类型,第一类为各种被动支护形式，包括木棚支架、钢筋混凝土支架、金属型钢支架、料石碹、混凝土及钢筋混凝土碹等；第二类是以锚杆支护为主，旨在改善巷道围岩力学性能的积极支护形式，包括锚喷支护、锚网支护、锚喷网支护等；第三类是以锚杆和注浆加固为主的积极主动加固形式，如锚注支护、预应力锚索支护技术等。,九、巷道支护,支护材料,棚式支架 石材整体支护 锚喷支护 梯形金属支架 料石 锚杆、锚索拱形可缩金属支架 砖 木锚杆 木支架 混凝土 竹锚杆钢筋混凝土支架 钢筋混凝土
13、 金属网 混凝土,水泥是一种加水拌合而成的可塑性浆体，能将砂、石等散粒材料胶结成为整体并经物理和化学过程形成坚硬的人造石结构。建筑工程用水泥为普通水泥。包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥。专用水泥。 高铝水泥：快硬、高强、耐腐蚀，国防、道路、抢修；膨胀水泥防水沙浆：构件、管道接头，防渗抹面 ；白色水泥原料和制作设备及过程；彩色水泥：氧化铁、氧化锰、氧化铬；快硬水泥；抢修工程、抗冲击及抗震性工程； 耐硫酸盐水泥。,一水泥,初凝 ：加水拌和直到开始失去塑性（搅拌、运输、浇捣和砌筑），应大于45min。终凝 ：加水拌和直到失去塑性产生强度（尽快硬化、
14、产生强度） 所需的时间。 硅酸盐水泥小于6.5h。 硬化 ：终凝后形成坚硬人造石。,水泥的凝结时间（细度、水灰比）,按不同品种、标号及出厂日期存放。一般存储条件下：三个月后强度降低1020%，六个月后强度降低1530%，1年后强度降低2540%。,水泥的贮存条件,硅酸盐水泥的应用,标号高：重要结构的高强混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土； 凝结硬化快：喷射混凝土支护；耐冻性好：冬季施工和遭受反复冻融工程；水化热多、周期长：不适用于大体积混凝土；抗软水及化学腐蚀性差：不适宜于海水、矿物水、流动的淡水及有水压的水（或体积膨胀或生成溶于水的氢氧化钙、铝化钙等）,组成：硅酸盐水泥熟料+少量混合材料+适量
15、石膏，普通水泥。活性掺量少于15%，非活性掺量少于10%。调节水泥的强度等级 。标号：325、325R、425、425R、525、525R。性能：基本性能同硅酸盐水泥；凝结硬化速度慢、抗冻及耐磨性差，凝结时间要求一样使用：标号广，便于使用。,普通硅酸盐水泥,二、混凝土,1.混凝土品种：按干表观密度（1055干燥至恒重）的大小,重混凝土：干表观密度大于2600kg/m3，防x射线和射线，如重晶石混凝土、钢屑混凝土等。普通混凝土：19002500kg/m3，房屋、桥梁、道路等。轻混凝土：干表观密度小于1900kg/m3，保温或轻质结构。轻骨料混凝土(8001900kg/m3)，火山渣、膨胀矿渣及煤
16、渣等制成；泡沫混凝土、加气混凝土等(3001200kg/m3)，泡沫和发气剂；大孔混凝土，不加细骨料。防水混凝土、耐热混凝土、喷射混凝土、耐酸混凝土等,经拌和后形成的拌合物应具有一定的和易性；混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度；混凝土应具有适应其所处环境的耐久性；经济合理，在保证质量前提下，降低造价,3混凝土的技术性质,2组成材料：,水泥+ 砂子 + 石子 + 水,是指混凝土拌和物易于施工操作（拌和、运输、浇筑和捣实），并能获得质量均匀、成型密实的性能。,指标：流动性、粘聚性、保水性。测定：坍落度,和易性,坍落度选择,（1）提高水泥标号；（2）降低水灰比；为改善和易性，可掺加减水剂；（3）采
17、用级配好且干净的砂、高强度石子； （4）加强养护，保证适宜的温度、较高的湿度，或采用湿热处理（蒸汽养护）来提高早期强度。（5）加强搅拌和振捣；（6）添加增强材料，如硅粉、钢纤维等。,提高混凝土强度的方法,4混凝土的改性剂,混凝土拌合时或拌合前可掺入一定量的改性剂，包括减水剂、早强剂、速凝剂、防冻剂等，可显著改善混凝土某些性能。如提高最终强度或初期强度（早强）、改善和易性、提高耐久性及节约水泥等。减水剂：不改变水灰比条件下，提高流动性；不改变流动性条件下，减少水灰比以提高混凝土强度。 速凝剂：加速水泥硬化（初凝15min，终凝10min）。提高早期强度，但对后期强度影响较大。,混凝土配合比指混凝
18、土组成材料间的数量比例关系。 混凝土配合比表示方法有两种:（1）以1m3混凝土中各组成材料的质量表示，如水泥336kg，砂654kg，石子1215kg，水195kg；（2）以水泥质量为1，表示出各成份的质量比，如:1:1.95:3.52:0.58(水泥:砂子:石子:水)。,5. 混凝土配合比概念,锚杆支护作用的实质就是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固体的力学参数，提高锚固体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到强化,充分发挥围岩的自承能力。,锚杆支护的实质,集中端头锚固类,全长锚固类,机械锚固类,机械锚固类,粘结锚固类,粘结锚固类,涨壳式锚杆,倒楔
19、式锚杆,钢丝绳砂浆锚杆,微膨胀水泥锚杆,木锚杆,竹锚杆,树脂锚杆,水泥锚杆,快硬水泥锚杆,压缩木锚杆,普通木锚杆,管缝式锚杆,水力膨胀式锚杆,全长树脂锚杆,全长水泥锚杆,钢筋砂浆锚杆,1：锚杆种类,几种锚杆,M型钢带的特点,不对称抗弯性能，容易与围岩密贴刚度大，强度高，不容易撕裂断面利用率高、节省钢材、价格低廉,锚固剂的选择 高性能锚杆的锚固方式 “三径”匹配对煤体锚固性能的影响 “三径”匹配关系是指锚杆直径、钻孔直径、树脂药卷直径三者的匹配关系,锚杆锚固参数,防止巷道顶板的漏冒和两帮煤体的片帮通过托板将其所承担的载荷有效地传递到锚杆上，并能协调锚杆的受力，发挥锚杆的整体支护作用。有效的提高锚
20、杆锚固范围内围岩的连续性，这对提高锚杆支护体系的整体支护强度是十分有益的。,配套的金属网、钢带及钢筋梯,图4 机载锚杆钻机,图5 机载式临时支护装置,气马达总成、推进支腿、操纵架、连接座组成,常用煤矿锚杆钻机特点,气动锚杆钻机,优点： 钻孔速度快，动力单一，重量轻，操作简单；不足：与液压、电动锚杆钻机相比 噪音大（90dA）、油雾污染大；效率低、耗能大（为液压钻机34倍，电动钻机9-10倍）；对动力源的要求高；岩石是不均质的，从松软的煤到坚硬的砂岩、石灰岩、花岗岩，破岩钻孔阻力矩要相差几倍，甚至十几倍。旋转式气动锚杆钻机一般适应岩石坚固性系数f8的岩石中钻孔，旋转式钻机的破岩能力即钻孔速度的快
21、慢，主要取决于钻机的输出转矩、输出转速，推进力的大小以及三者之间的匹配关系。,钻头的分类,普通硬质合金钻头,冲击-旋转钻头,一字型钻头,球齿型钻头,A-普通型 B-两翼加强型 C-三翼加强型金刚复合片钻头,喷射混凝土支护,一工艺流程,封闭围岩，防止风化。改善围岩的应力状态：恢复三向应力状态。填凹补平消除应力集中。密切岩体、柔性支护结构作用：共同变形，围岩应力释放，抑制更大变形。射入缝隙，增强黏结岩块间的连接咬合作用得以维持。防护锚杆间危石掉落。,二支护作用原理,单独支护时50150mm之间，锚喷支护时50120mm。强度不小于C15。,三喷射混凝土厚度与强度,根据锚喷支护原理，要求喷层具有一定
22、的柔性。因此，规定喷射混凝土厚度一般不应超过200mm，特别在软弱围岩中作初期支护，喷层过厚，会产生过大的形变压力，易导致喷层出现破坏，这是不经济的。当喷层不能满足支护抗力要求时，可用锚杆或配筋加强。,喷射机具 混凝土喷射机：干式、湿式 配套机械：混凝土搅拌机，喷射机械手,在瑞士的一条隧道中使用喷射混凝土机械手的情况,水泥硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号大于325 细骨料中砂或粗砂，细度模数大于2.5 粗骨料粒径小于20mm 速凝剂初凝小于5min，终凝小于10min 配合比水灰比0.40.45,喷射材料和配合比,1一次成巷（掘进、永久支护、水沟掘砌视为一个整体，按照设计和质量标准在一定距离内
23、前后连贯、相互配合，尽可能同时施工，一次做成巷道），成巷速度快。2分次成巷：临时维护，有危险。成巷速度慢。,十、一次成巷及其作业方式,1：施工方法,矿山井巷工程施工与验收规范规定：不应大于40m。 棚式支架时间上有先后，空间上没有距离永久支护类型： 砌碹支护临时支护 锚喷支护特点： 适用于围岩稳定、断面大于8m2； 可以组织快速施工（提高成巷速度3040%）； 工艺过程、组织管理复杂。,2：一次成巷的作业方式,掘支平行作业（掘进和永久支护）,“三八”工作制，两班掘进，一班锚喷。“四六”工作制，三班掘进，一班锚喷。掘进班掘进时先打一部分护顶帮锚杆，以保证掘进的安全；锚喷班则按设计要求补齐锚杆并喷
24、到设计厚度。采用这种作业方式时，要根据围岩稳定性，来决定掘进和锚喷之间的距离。 特点： 适用于围岩不太稳定、断面较小的巷道； 掘支轮流在同一条巷道内由同一个队伍完成综合队； 空顶距离不超过3m；（两掘一支） 组织管理工作简单，速度慢。,掘支顺序作业（单行作业）,沼气和煤尘威胁加强检查，采取相应安全措施，探水掘进容易，维护困难、采动地压安全条件下经济支护方式通风和运输工作复杂通风系统、运输设备及其调配。褶皱、断层等定向工作。,十一、 采区巷道的施工,一、特点,二、施工方法,三、煤巷施工,煤巷：煤层占掘进断面面积4/5以上。岩巷：岩层占掘进断面面积4/5以上。半煤岩巷：煤层（岩层）占掘进断面积大于
25、1/5、小于4/5。生产矿井掘进总量的75以上为煤巷。,煤巷的掘进方法,1. 钻眼爆破法2. 掘进机法3. 连续采煤机法,1、掘进机胶带转载机刮板输送机机械化作业线,刮板输送机的运输能力大于掘进机的生产能力，可实现连续运输。采用刮板输送机虽有链板接长频繁、占用循环时间长、劳动强度大等缺点，但它适用于坡度变化大、掘进长度较短的巷道。,十二、以掘进机为主的机械化作业线,双向胶带，即上胶带出煤，下胶带运料，能实现长距离连续运输，其能力大于掘进机的生产能力，可最大限度地发挥掘进机的潜力，实现连续掘进。进行永久支护时可接长胶带。该作业线在巷道长度大于600m时，其优越性更明显。,2、掘进机一胶带转载机一
26、可伸缩双向胶带输送机机械化作业线,例一、上山施工,上山自运输水平向上倾斜的巷道。上山掘进自下向上掘进（无瓦斯突出）。1. 破岩与通风,2. 装岩与运输装岩与排矸容易 巷道坡度 装岩 运输 30 人工 溜槽或自溜 10 ZMZ17型装煤机 链板机或矿车 1030 耙斗机固定 溜槽,第四十七条 由下向上掘进25以上的倾斜巷道时，必须将溜煤（矸）道与人行道分开，防止煤（矸）滑落伤人。人行道应设扶手、梯子和信号装置。斜巷与上部巷道贯通时，必须有安全措施。,（一）、交岔点类型,砌碹交岔点 按支护形式分 锚喷交岔点 简易交岔点（棚式交岔点、料石墙配型钢梁）,例二、交岔点施工,（二）、 交岔点施工,交岔点施
27、工，应推广使用光面爆破、锚喷支护；在条件允许时，要尽量做到全断面掘进一次成巷.,1. 交岔点的施工方法 （1）在稳定和稳定性较好的岩层中，交岔点可采用全断面一次掘进法，随掘随锚喷或先掘后喷，一次完成。 （2）在中等稳定岩层中，或巷道断面较大时，为了使顶板一次暴露面积不致过大，可先将一条巷道掘出，并将其边墙先行锚喷，余下周边喷上一层厚3050毫米的混凝土（岩石条件差时，可加打锚杆）作临时支护，然后回过头来再刷帮挑顶，随即进行锚喷。,（3）稳定性较差的岩层 可采用先掘砌好柱墩再刷砌扩大断面部分的方法。 正向掘进时，先将主巷掘通过去，同时将交岔点的一侧边墙砌好，接着以小断面横向掘出岔口，并将支巷掘出2米，将柱墩及两巷口2米处的拱、墙砌好，然后再回过头来刷砌扩大断面处，做好收尾工作。,谢 谢！,
