特殊巷道施工方法山科.ppt

1 2020 2 10 井巷工程 第十章特殊巷道的施工方法 2 2020 2 10 10特殊巷道的施工方法10 1概述10 2软岩岩层巷道施工10 3煤与瓦斯突出巷道施工 3 2020 2 10 10 1概述 软岩概念地质软岩 四种属性 松 散 软 弱 松 指岩石结构疏松 密度小 孔隙度大 散 则指岩石胶结程度很差或指未胶结的颗粒状 软 指岩石强度很低 塑性大或粘土矿物质易膨胀 弱 则指受地质构造的破坏 形成许多弱面 如节理 片埋 裂隙等破坏了原有的岩体强度 易破碎 易滑移冒落的不稳定 强度软岩 国际岩石力学协会 25MPa 工程软岩 何满潮教授 1993 4 2020 2 10 5 2020 2 10 10 2软岩岩层巷道施工 10 2 1软岩巷道变形特征 软岩巷道变形一般呈蠕变变形三阶段的规律 并具有明显的时间效应 软岩巷道围岩变形具有明显的空间效应 软岩巷道多表现为巷道四周受压 且为非对称性 不仅顶板下沉量大 易冒落 同时也有可能产生强烈的底鼓现象 并常伴随有两帮剧烈位移 引发两帮破坏 顶板坍落 尤其是黏土层 浸水崩解和泥化引起的底鼓更为严重 软岩巷道自稳能力极差 变形对应力扰动和环境变化非常敏感 6 2020 2 10 7 2020 2 10 1 巷道围岩变形量的构成 图10 1软岩巷道围岩变形量的组成 围岩变形量组成 掘巷引起的围岩变形量 围岩流变引起的变形量 巷道受各种扰动引起的变形量 U0 掘巷引起的变形 v0t0 巷道流变量 ui 扰动和浸水引起的变形量 8 2020 2 10 2 影响软岩巷道围岩的自稳能力的因素 巷道的形状和尺寸 地应力 围岩体的残余强度 施工工艺 水的影响 9 2020 2 10 2 选择合理的巷道位置 3 选择合理的巷道断面形状 4 选择合理的破岩方法 10 2 2软岩巷道治理技术 5 采用合理的支护方案 6 预防和治理底鼓 7 加强水的治理 8 加强巷道施工监测 9 借鉴新奥法指导软岩巷道施工 1 掌握详尽的地质资料 10 2020 2 10 1 掌握详尽的地质资料井巷工程的特点是它们全部埋置在地下岩士体内 它的安全 经济和正常使用 都与其所处的工程地质环境密切相关 由于巷道开挖破坏了岩土体的初始平衡条件 引起岩土体内应力重新分布 除少数地质条件特别优越 岩体强度能适应这种变化了的应力条件外 围岩常常会产生各种形式的变形 破坏 特别严重者可以一直影响到地表 因此 在矿井建设初期 要深人细致地进行工程地质勘察 查清基本地质 地形情况和岩体的基本工程特性 特别是工程地质和水文地质条件 地质构造情况 应力场状态以及主要岩层的岩性条件 获得需要的各种资料 最终对有关问题做出评价 并作为后期井巷工程布置 确定施工方案 编制施工措施的依据 11 2020 2 10 2 选择合理的巷道位置 选择岩性稳定性好的岩层 避开支承压力的影响 1 避开移动支承压力的影响 2 避开采场上下固定支承压力的影响 3 布置在应力降低区或原岩应力区内 如图10 1所示 12 2020 2 10 考虑巷道走向与最大地应力方向的关系以及与断层破碎带的关系 避免巷道空间上的重叠或密集交叉 3 选择合理的巷道断面形状 4 选择合理的破岩法 在软岩巷道中 破岩方法的选择应以保持围岩的整体 不破坏或少破坏巷道围岩为原则 主要采用光面爆破 机械破岩 巷道断面形状主要应根据地压的大小和方向来选择 若地压较小 选用直墙半圆拱形是合理的 若巷道周围均受到很大的压力 则以选择圆形巷道断面为宜 若垂直方向压力特别大而水平方向压力较小时 则选用直立椭圆形断面或近似椭圆形断面是合理的 若水平方向压力特别大而垂直方向压力较小时 则选用曲墙或矮墙半圆拱带底拱 高跨比小于1的断面 或平卧椭圆形断面 13 2020 2 10 5 采用合理的支护方案 原则 强化围岩 整体承载 允许变形 适当让压 控制巷道断面支护结构 先柔后刚 两次支护 初始支护应按照围岩与支架共同作用的原理 选用刚度适宜 具有一定柔性或可缩性支架 它既允许围岩产生一定量的变形移动 以发挥围岩自承能力 同时又能限制围岩发生过大的变形移动 可以采用锚喷支护 U形金属可缩性支架等 二次支护的作用在于进一步提高巷道的稳定性和安全性 应采用刚度较大的支护结构 可采用锚喷支护 砌碹 在喷射混凝土中还应增加钢筋网和金属骨架 即构成锚喷网金属骨架联合支护结构 14 2020 2 10 采用料石或混凝土块砌碹作为二次支护时 应选用异形料石或异形混凝土块作为砌体材料 图10 3是舒兰设计采用的异形混凝土块碹 图10 4是前屯煤矿使用的异形料石圆碹 15 2020 2 10 16 2020 2 10 采用料石和混凝上块砌碹 只要提高施工质量 调整砌块的规格 保证壁后充填密实 或在砌块之间加入可缩性木板 均能大大提高碹体的支护效果 在苏联 比利时等国支护软岩巷道 尤其是采深较大的巷道 常采用预制混凝土块支护 并向大型钢筋混凝土块发展 用吊装机械安装 近年来我国少数煤矿 如沈阳矿务局大桥煤矿也已开始使用这种钢筋混凝土块来支护软岩巷道并取得了一定的效果 17 2020 2 10 二次支护应在围岩地压得到释放 初始支护与围岩组成的支护系统基本稳定之后进行 为了保证二次支护的效果 最好进行围岩位移速度和位移量的量测 并绘出相应的变化曲线 如图10 5所示 18 2020 2 10 软岩巷道的联合支护形式有 1 锚喷和U形钢联合支护 2 锚喷和砌碹联合支护 3 锚喷和弧板联合支护 6 预防和治理底鼓 1 巷道底鼓的类型和机理 挤压流动性底鼓 挠曲褶皱性底鼓 剪切错动性底鼓 遇水膨胀性底鼓 19 2020 2 10 20 2020 2 10 2 底鼓的防治 防治底鼓的方法或措施有 保持底板干燥无水 防止膨胀性底鼓 安设底拱 浇筑或砌筑 底板注浆加固 锚杆加固 底板钻孔卸压或卸压槽卸压 底板松动爆破卸压 底板先松动爆破 后注浆加固等 7 加强水的治理 地下水的赋存与活动 既影响围岩的应力状态 又影响围岩的强度 进而影响巷道的稳定 水对软弱巷道围岩的影响尤其严重 因此必须加强巷道施工与后期使用过程中水的综合防治工作 21 2020 2 10 8 加强巷道的施工监测 在松软岩层巷道采用锚喷支护 一定要配合进行量测监控 可用收敛计量测巷道的收敛变形 亦可用水准仪测量顶板下沉量和底鼓量 用各种多点式位移计量测岩层内不同深度的位移 从而可以算出位移速度 通过这些量测数据 有助于评价围岩的稳定程度 可以论证各设计参数是否合理和锚喷效果 也是修改设计和确定二次支护时间的依据 锚杆的锚固力可用中空千斤顶式的锚杆拉力计来量测 锚杆的应力状态 可用专门设计的空心 锚杆 它的构造是聚氯乙烯塑料管内壁用101号胶粘贴电阻片 来测定 以检验锚杆不同深度处的受力状态 从而能推知围岩内应力重新分布的情况 进而可调整锚杆的设汁参数 对于大断面的重要工程还要进行接触应力和喷层内切向应力的量测 可采用电阻应变砖和钢弦压力盒等测试元件 根据测量结果 可以了解喷层的受力状态 有助于设计喷射混凝土的厚度 地应力特别大的矿区 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坏影响具有重要意义 22 2020 2 10 9 借鉴新奥法指导软岩巷道施工 新奥法是1964年由奥地利L V Labcewicz教授根据本国多年隧道施工经验总结发表的 称为 新奥地利隧道施工法 NewAustrianTunnelingMethod 简称 新奥法 NATM 新奥法是隧道施工科学方法的总结 主要针对软岩隧道施工 重点在支护方面 但新奥法又不是单纯的支架结构改革或支护方法的改进 而一套综合的隧道施工方法 更确切地说是一套适用在断面为50 150 的隧道及大断面地下工程计 掘进 衬砌及量测监控相结合的完整的隧道科学施工新概念 新奥法的概念是按岩石力学围岩支架共同作用基本原理制定的 其主要意图是调动围岩自身的承载能力 尽可能地控制围岩变形 防止围岩松动 以达到施工隧道的最大安全度和最好经济效果 23 2020 2 10 新奥法的基本观点 隧道支护必须遵循 支架与围岩共同作用 这一基本原理 以调动围岩的自承载能力 尽可能地控制围岩变形防止围岩松动 从而达到施工隧道的最大安全度和最佳技术经济效益 巷道开挖后围岩应力再分布与支护反力的作用演化关系 支架 围岩关系 如下图所示 新奥法三要素 喷射混凝土 锚杆支护 监测 新奥法认为喷射混凝土最能紧贴围岩 充分利用围岩自身强度 喷层开裂并非坏事 而是表现出一定的让压性 必要时第一次支护加用锚杆或少量钢拱支架根据实测资料及理轮分析 合理地选用和设计第二次支护的材料 结构型弍及规格尺寸 24 2020 2 10 25 2020 2 10 新奥法维护软岩巷道的技术要点 一次支护应选用最能密贴围岩的喷射混凝土支护 必要时加用锚杆或少量钢拱支架 同时要注意符合以下技术要点 一次支护要及时 否则围岩先行破坏 不能实现 支架与围岩 共同作用 一次支护要密贴围岩 这是因为岩石为脆性材料 其极限变形量很小 普通支架由于不能密贴围岩 可能导致围岩和支架被各个击破 无法实现共同承载作用 一次支护要有适当的柔性 以适当释放压力 避免破坏支护结构 喷层可能开裂 这不一定是坏事 而是锚喷支护具有一定的 让压 性能的表现 一次支护后要对围岩变形进行监测 以便确定二次支护的时机及支护形式与支护结构 26 2020 2 10 二次支护刚度要足够大 时机要成熟 要做到适时支护 同时要注意封底的作用 并且要注意以下方面 二次支护结构应具有足够的刚度 以对抗围岩残余变形 保证设计断面要求 二次支护要等围岩位移速度稳定或减缓至一定程度时进行 做到 适时支护 巷道顶帮支护后底板可能成为薄弱环节 围岩是一个整体 底板不稳易导致顶板失稳 故必须重视底板 必要时要对底板进行加固 二次支护后 仍然要继续对围岩变形情况进行监测 必要时应及时调整支护参数或支护结构 或进行补强加固 10 2 3软岩巷道支护技术 1 初始支护 一次支护 一次支护的主要目的在于加固围岩 提高其支承能力 同时应允许围岩在有效控制范围内释压变形 以适应软岩的力学特征 因此 初始支护应按照围岩与支架共同作用的原理 选用刚度适宜 具有一定柔性或可缩性的支护结构 2 二次支护在围岩变形稳定后 为了保证巷道较长时间的稳定和服务期的安全 应当给巷道围岩提供最终支护强度和刚度 这就是二次支护 它同时起到安全储备的作用 27 2020 2 10 28 2020 2 10 10 2 4松软岩层巷道施工实例 1 北皂煤矿软岩巷道施工方法 1 地质概况北皂煤矿位于山东龙口矿区黄县煤田的西北部 含煤地层属于下第三纪 煤系地区主要岩石有 炭质泥岩 油页岩 含油泥岩 砂质页岩及粘土岩等 岩石的强度都很低 普氏系数f 0 6 2 8 煤1顶板炭质泥岩 煤2顶板含油泥岩及煤3底板粘土岩 均含有粘土质矿物 蒙脱石 开巷后易风化脱水 再遇水就产生膨胀 含油泥岩 蒙脱石含量多 而且层厚大 开巷后 膨胀压力大 炭质泥岩和粘土岩虽含有蒙脱石 但因强度略大 厚度略小 故膨胀压力显现也较小 29 2020 2 10 2 施工方法棚式支架和料石砌碹 锚喷支护 光爆 较稳定岩层 泥岩和粘土岩小断面 锚喷网 4mm 大断面 锚喷 钢筋网 12mm钢筋 炭质泥岩和含油泥岩 开心炮 风镐掘进 采用锚喷网架联合支护 锚杆2 0m 钢筋网 初喷 槽钢钢架 间距0 5m 复喷 二次支护 修复破损支护 喷射混凝土 底鼓料石砌筑底拱 与二次支护一起施工 30 2020 2 10 锚喷网架联合支架 31 2020 2 10 舒兰矿区松岩层巷道施工吉林舒兰矿区为第三纪中新统含煤地层 构成含煤地层的岩石均为松软岩石 以未胶结的疏松含水砂岩为主 其次为半胶结的粉砂岩 半坚硬的砂页岩以及粘土质页岩 其中半胶结和未胶结的砂岩 质地疏松 开挖后易溃散 未胶结的粉砂岩遇水后呈片状崩解 粘土质页岩具有塑性膨胀的特点 同时随着开采深度的增加 地压有明显的增大 在遇水膨胀的围岩中 底鼓现象也很严重 一般巷道底鼓速度为60 l00mm 月 采场动压对相邻巷道的影响也很严重 动压波及范围远大于一般矿井 片盘斜井一侧的保护煤柱宽达60 70m 仍能受到采动压力的影响 32 2020 2 10 暗斜井井筒断面选用曲墙 半圆拱加底拱 形成近似圆形断面 如图10 9所示 33 2020 2 10 条带碹 代替常用的料石碹 34 2020 2 10 沈北前屯煤矿软岩巷道施工辽宁沈北前屯煤矿煤层顶板为厚80的黑灰色泥质页岩 底板为40 100m的粘土页岩和亚粘土质页岩 含有蒙脱石和伊利石 风干脱水后再遇到水的作用时 均产生膨胀和崩解现象 当含水率增大时 其力学强度降低 塑性增大 最后变为流动状态 巷道开掘后 围岩向巷道空间大量移动 如不采用封闭支架 巷道顶板一直不停的冒落 甚至波及地表 难以形成较稳定的平衡状态 35 2020 2 10 采用木板砌缝的花岗岩料石碹 以柔刚结合的支架结构形式来适应较大的变形地压 采用风镐法掘进 防止围岩受到震动而失稳 及时排除巷道中的积水 减少岩石遇水膨胀的程度 合理选择巷道位置 减少支承压力的影响 36 2020 2 10 金川二矿区松散围岩巷道施工甘肃金川矿区为震旦系古老结晶变质岩系 历次造造运动给本区留下了以断裂为主的构造形迹 大小断层裂隙纵横交错 整体性差 地应力大 开掘后呈现严重松散和内向挤压 围岩变形量大 具有明显的流变性 给巷道维护带来极大的困难 严重地影响矿区建设速度 巷道支护由初始支护和二次支护组成 初始支护采用钢筋网喷射混凝土和锚杆 初始支护后 巷道变形仍处于等速发展时 应考虑用锚杆补补墙 调整初始支护参数 当变形速度处于明显减小或月收敛量为几毫米时 再进行二次支护比较合适 在金川的地质条件下 二次支护的时间大约在120天以后 37 2020 2 10 38 2020 2 10 2 淮南潘三煤矿西二采取运输石门软岩锚喷网支护 工程概况 潘三矿西二采区运输石门 埋深约680m 试验段巷道长100m 包括3号交岔点 原设计断面为半圆拱形带底拱 墙高1 4m 底拱深1 1m 净跨度5 2m 掘进断面25 7 3号交岔点最大跨度9 54m 净断面21 5 45 0 巷道穿过岩石为黏土岩 50 砂质黏土岩 38 细砂岩和煤线 12 黏土岩平均单轴抗压强度15 08MPa 岩块浸水2 13h后成碎块 砂质黏土岩平均单轴抗压强度17 23MPa 岩块浸水2 7h后成碎块 并有泥化 遇水膨胀明显 原设计依据工程类比法确定为锚喷加29U型钢可缩全封闭联合支护 锚杆为长度1 8m的管缝式锚杆 间排距0 7m 喷厚50mm 39 2020 2 10 用松动圈理论设计支护参数 在附近穿过相同地层的已经施工的西一石门中实测松动圈厚度LP 241 265cm 为大松动圈软岩围岩 依据松动圈理论应采用管缝锚杆加喷网支护 选用切圆拱断面 设计采用组合拱原理计算锚杆 锚杆长度1 8m 锚杆间排距0 5m 采用6mm直径圆钢 网孔125mm金属网 喷层支护经过计算 选用120mm厚 分3次喷射 开巷及时喷30mm 安装网和锚杆后接着喷50mm 等3个月围岩变形稳定后再喷40mm 达到设计厚度 即采用二次支护支护工艺 支护效果 经过200多天围岩内部 表面位移 锚杆 喷层和网受力等多种观测 表明支护达到稳定 取得完全成功 最大围岩表面收敛量67 53mm 满足使用要求 据统计 使支护成本降低34 3 按当时价格计算每米节约3791元 节约钢材1 4t m 成巷速度提高100 以上 达到平均120m 月 40 2020 2 10 10 3煤与瓦斯突出巷道施工 10 3 1概述 煤与瓦斯突出是采煤或巷道施工过程中发生的严重自然灾害之一 它可在极短的时间内 由煤体内部向采场 巷道等采掘空间喷出大量的煤和瓦斯 突出物会逆风流充满巷道 摧毁巷道内的设施 突出的瓦斯会使人窒息 或引起瓦斯爆炸 造成严重的人员伤亡和矿井损毁事故 煤和瓦斯突出的原因 地压构造应力和矿山压力 瓦斯含量及瓦斯压力 岩石及煤的物理力学性质 我国煤和瓦斯突出煤层具有下列特征 煤和瓦斯突出往往发生在地质变化比较剧烈 地应力较大的地区 例如褶曲向 背斜的轴部和断层破碎带 煤质松软 干燥且瓦斯含量多 压力高就容易突出 开采深度愈大 煤层愈厚 倾角愈大 突出的次数就愈多 强度愈大 煤体受到外力震动 冲击时 也容易发生突出 预防煤和瓦斯突出的措施可分两大类 即区域性预防措施和局部性预防措施 区域性预防措施主要是开采解放层 41 2020 2 10 10 3 2石门揭穿突出危险煤层的防突措施 煤矿安全规程 规定 石门的位置应尽量避免选择在地质变化区 掘进工作面距煤层10m以外时 至少打两个穿透煤层全厚的钻孔以便确切掌握煤层赋存条件和瓦斯情况 掘进工作面距煤层5m以外 应测定煤层的瓦斯压力 掘进工作面距煤层之间必须保持一定的岩柱 急倾斜煤层为2m 缓倾斜及倾斜煤层为1 5m 42 2020 2 10 1 震动爆破或远距离爆破揭穿震动放炮的实质就是在掘进工作面上多打眼 多装药 全断面一次爆破 揭开煤层 并且利用放炮所产生的强裂震动 在人员撤离到安全地点的条件下 来诱导煤和瓦斯突出 以保证作业的安全 为了给炸开岩柱揭开煤层创造条件 在石门接近安全岩柱以后 尽量把工作面刷成和煤层倾角相近的斜面或台阶 如图10 12所示 43 2020 2 10 煤矿安全规程 于采用震动爆破揭穿煤层施工的安全要求与规定如下 施工作业必须严格遵守 1 所有炮眼必须一次起爆 炸开石门的全断面岩柱和煤层全厚 如果第一次震动爆破没有全断面揭开煤层 第二次爆破工作仍应按震动爆破的安全要求进行 2 只准使用带食盐被筒的煤矿许用炸药进行震动爆破 雷管事先要严格检查和分组 使用毫秒雷管时 其总延期时间不得超过130ms 装药后全部炮眼必须填满炮泥 3 每次震动爆破都应对岩柱性质 厚度 眼数 眼位 装药量 联线方式 起爆顺序 爆破效果等作详细记录 以便总结经验和分析 4 石门揭开突出危险的煤层时 掘进工作面必须有独立的回风系统 在其进风侧的巷道中应设置两道坚固的反向风门 回风系统必须保持风流畅通无阻 44 2020 2 10 5 为了限制突出规模 人为地降低突出强度 可在距工作面4 5m的地方构筑木垛或金属栅栏 6 当发现工作面的岩层特别破碎 地压加大 岩柱崩落和压出 瓦斯涌出量剧增 温度迅速下降 以及产生震动声响等异常现象时 应立即停止作业 人员撤离至安全地区 7 人员撤离范围 应根据突出的危险程度和通风系统而定 在有严重突出危险的石门揭穿时 爆破工作应在地面进行 爆破至少半小时后 由救护队员进人工作面检查 根据检查结果 确定是否恢复送电 通风等工作 45 2020 2 10 2 抽放瓦斯和钻孔排放钻孔排放就是石门工作面掘到距煤层适当距离停止掘进 向煤层打适当数量的排放瓦斯钻孔 在一定范围内形成卸压带 降低煤体中的瓦斯压力 缓和煤体应力 以防止煤和瓦斯突出 这一方法适用于煤层松软透气性较大的中厚煤层 排放钻孔数目可按下式计算 式中N 石门全断面排放瓦斯钻孔的总数 个 K 系数 一般取1 2 S1 应排放瓦斯的面积m 石门周围1 5m范围内 S2 一个钻孔可排放瓦斯面积 m2 46 2020 2 10 47 2020 2 10 3 水力冲孔和水力冲刷水力冲孔是在石门岩柱未揭开之前 利用岩柱作安全屏障 向突出煤层打钻 并利用射入的高压水 诱导煤和瓦斯从排煤管中进行小突出 这样在煤体内部就引起强烈地移动 在孔洞周围形成卸压带 解除了煤体压力紧张状态 从而消除了煤和瓦斯突出的危险 这种方法用于揭开具有自喷现象的软煤层 比较安全可靠 水力冲孔工艺流程见图10 5所示 48 2020 2 10 49 2020 2 10 4 金属骨架金属骨架是用于石门揭穿煤层的一种超前支架 其施工方法如图10 6所示 当石门掘进距离煤层2m时 停止掘进 在其顶部和两帮上打一排或两排直径为70 l00mm 彼此相距200 300mm的钻孔 钻孔钻透煤层并穿入顶板岩层300 500 孔内插入直径为50 70mm的钢管或钢轨 钢管或钢轨的尾部固定在用锚杆支撑的钢轨环上 也可固定在其它专门支架上 然后一次揭开煤层 用金属骨架时 一般配合震动放炮 一次揭开煤层 金属骨架应用于地压和瓦斯压力不太大的急倾斜薄煤厚和中厚煤层 其效果是比较好的 在倾斜厚煤层中 因骨架长度过大 易于挠曲 不能有效地阻止煤体的位移 所以预防突出能力较差 50 2020 2 10 1 急倾斜突出煤层上山掘进在急倾斜突出煤层掘进上山时应采用双上山掘进 采用直径在30mm以上钻头的掘进方式 并加强支护 两条上山间的联络巷间距不要大于10m 并只准1个工作面工作 其目的是由于受煤体自重的影响 急倾斜突出煤层上山工作面极易发生突出 当发现突出预兆或突出时 工作人员可得以逃脱 51 2020 2 10 10 3 3突出危险煤层巷道措施防突措施 52 2020 2 10 2 突出危险煤层中掘进平巷在突出危险煤层中掘进平巷时 应采用超前钻孔 松动爆破 前探支架 煤层注水或其他有效的防治突出措施 1 大直径超前钻孔在工作面前方始终保持一定数量和一足深度的大直径超前钻孔 能够引起煤体应力重新分布 使巷道应力集中带移至煤体深部 在钻孔周围造成卸压带 同时 又能排放钻孔周围煤体内的瓦斯 降低瓦斯压力 可以消除突出的危大直径超前钻孔孔径一般是120 300mm 孔数一般为3 5个 孔深10 15m 超前距离5m 如图10 7所示 由于煤的物理力学性质不同 其排放半径也有差异 一般为0 5 1 0m 大直径超前钻孔适用于煤层较厚 煤质较软 透气性较大的突出煤层 而瓦斯排放半径小于0