特殊條件下的巷道施工

井巷工程第十章特殊條件下的巷道施工

2023/1/311第十章特殊條件下的巷道施工第一節(jié)松軟巖層巷道施工第二節(jié)揭開煤與瓦斯突出煤層的施工方法

2023/1/312第一節(jié)松軟巖層巷道施工一、概述松軟巖層本身具有松、散、軟、弱四種不同屬性。所謂“松”，系指巖石結(jié)構(gòu)疏松、密度小，孔隙度大的巖層；“散”，則指巖石膠結(jié)程度很差或指未膠結(jié)的顆粒狀巖層；“軟”是指巖石強(qiáng)度很低，塑性大或粘土礦物質(zhì)易膨脹的巖層；“弱”，則指受地質(zhì)構(gòu)造的破壞，形成許多弱面，如節(jié)理、片埋、裂隙等破壞了原有的巖體強(qiáng)度，易破碎，易滑移冒落的不穩(wěn)定巖層，但其巖石單軸抗壓強(qiáng)度還是較高的。在松軟巖層中施工巷道，掘進(jìn)較容易，維護(hù)卻極其困難。

2023/1/3132023/1/314二、松軟巖層巷道施工涉及的幾個問題㈠松軟巷道圍巖變形和壓力特征1．軟巖巷道圍巖變形特征⑴圍巖變形有明顯的時間效應(yīng)。

⑵圍巖變形具有明顯的空間效應(yīng)。

⑶軟巖巷道不僅頂板下沉量大和容易冒落，而且底板也強(qiáng)烈鼓起，并常拌有兩幫劇烈位移。

⑷圍巖變形對應(yīng)力擾動和環(huán)境變化非常敏感。

此外，軟巖巷道的自穩(wěn)時間短。

2023/1/3152023/1/3162．巷道圍巖變形量的構(gòu)成

圖10-1軟巖巷道圍巖變形量的組成其圍巖變形量主要有以下三部分組成（圖10-1）：⑴掘巷引起的圍巖變形量；⑵圍巖流變引起的變形量；⑶巷道受各種擾動引起的變形量。U0—掘巷引起的變形；v0t0—巷道流變量；∑ui—擾動和浸水引起的變形量。2023/1/317㈡合理選擇巷道位置

1．巖石性質(zhì)

2．支承壓力的影響

除了要避免支承移動壓力的影響外，還必須避開采場上下固定支承壓力的影響范圍，應(yīng)把巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)為最好。如圖10-2所示。

㈢巷道斷面形狀的選擇㈣破巖方式的選擇2023/1/318㈤支護(hù)方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇對于這種特殊的不良地層，其支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有“先柔后剛”的特性，一般需要二次支護(hù)。

初始支護(hù)應(yīng)按照圍巖與支架共同作用的原理，選用剛度適宜、具有一定柔性或可縮性支架。它既允許圍巖產(chǎn)生一定量的變形移動，以發(fā)揮圍巖自承能力，同時又能限制圍巖發(fā)生過大的變形移動。可以采用錨噴支護(hù)、U形金屬可縮性支架等。

二次支護(hù)的作用在于進(jìn)一步提高巷道的穩(wěn)定性和安全性，應(yīng)采用剛度較大的支護(hù)結(jié)構(gòu)?？刹捎缅^噴支護(hù)，砌碹。在噴射混凝土中還應(yīng)增加鋼筋網(wǎng)和金屬骨架，即構(gòu)成錨噴網(wǎng)金屬骨架聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2023/1/319采用料石或混凝土塊砌碹作為二次支護(hù)時，應(yīng)選用異形料石或異形混凝土塊作為砌體材料，圖10-3是舒蘭設(shè)計采用的異形混凝土塊碹；圖10-4是前屯煤礦使用的異形料石圓碹。2023/1/31102023/1/3111

采用料石和混凝上塊砌碹，只要提高施工質(zhì)量，調(diào)整砌塊的規(guī)格，保證壁后充填密實，或在砌塊之間加入可縮性木板，均能大大提高碹體的支護(hù)效果。

在蘇聯(lián)、比利時等國支護(hù)軟巖巷道，尤其是采深較大的巷道，常采用預(yù)制混凝土塊支護(hù)，并向大型鋼筋混凝土塊發(fā)展，用吊裝機(jī)械安裝。近年來我國少數(shù)煤礦，如沈陽礦務(wù)局大橋煤礦也已開始使用這種鋼筋混凝土塊來支護(hù)軟巖巷道并取得了一定的效果。

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二次支護(hù)應(yīng)在圍巖地壓得到釋放、初始支護(hù)與圍巖組成的支護(hù)系統(tǒng)基本穩(wěn)定之后進(jìn)行。為了保證二次支護(hù)的效果，最好進(jìn)行圍巖位移速度和位移量的量測，并繪出相應(yīng)的變化曲線，如圖10-5所示。2023/1/3113㈥軟巖巷道的聯(lián)合支護(hù)1．錨噴和U形鋼聯(lián)合支護(hù)2．錨噴和砌碹聯(lián)合支護(hù)3．錨噴和弧板聯(lián)合支護(hù)㈦巷道底板的管理

1．巷道底鼓的類型和機(jī)理⑴擠壓流動性底鼓⑵撓曲褶皺性底鼓

⑶剪切錯動性底鼓

⑷遇水膨脹性底鼓2023/1/31142023/1/31152．底鼓的防治

㈧重視圍巖的量測監(jiān)控

在松軟巖層巷道采用錨噴支護(hù)，一定要配合進(jìn)行量測監(jiān)控，可用收斂計量測巷道的收斂變形，亦可用水準(zhǔn)儀測量頂板下沉量和底鼓量；用各種多點式位移計量測巖層內(nèi)不同深度的位移，從而可以算出位移速度。通過這些量測數(shù)據(jù)，有助于評價圍巖的穩(wěn)定程度，可以論證各設(shè)計參數(shù)是否合理和錨噴效果，也是修改設(shè)計和確定二次支護(hù)時間的依據(jù)，錨桿的錨固力可用中空千斤頂式的錨桿拉力計來量測。錨桿的應(yīng)力狀態(tài)，可用專門設(shè)計的空心“錨桿”(它的構(gòu)造是聚氯乙烯塑料管內(nèi)壁用101號膠粘貼電阻片)來測定，以檢驗錨桿不同深度處的受力狀態(tài)，從而能推知圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布的情況，進(jìn)而可調(diào)整錨桿的設(shè)汁參數(shù)。對于大斷面的重要工程還要進(jìn)行接觸應(yīng)力和噴層內(nèi)切向應(yīng)力的量測，可采用電阻應(yīng)變磚和鋼弦壓力盒等測試元件。根據(jù)測量結(jié)果，可以了解噴層的受力狀態(tài)，有助于設(shè)計噴射混凝土的厚度。地應(yīng)力特別大的礦區(qū)，還應(yīng)量測構(gòu)造應(yīng)力場，這對巷道合理布置，減輕地應(yīng)力對巷道支護(hù)的破壞影響具有重要意義。2023/1/3116㈨借鑒新奧法指導(dǎo)軟巖巷道施工新奧法是隧道施工科學(xué)方法的總結(jié)，主要針對軟巖隧道施工，重點在支護(hù)方面。新奧法不是單純的支架結(jié)構(gòu)改革或支護(hù)方法的改進(jìn)，而是一套綜合的隧道施工方法，更確切地說是一套適用在斷面50～150㎡的遂道及大斷面地下工程設(shè)計、掘進(jìn)、襯砌、測試相結(jié)合的完整新概念。

新奧法的概念是按巖石力學(xué)圍巖支架共同作用基本原理制定的，其主要意圖是調(diào)動圍巖自身的承載能力，盡可能地控制圍巖變形，防止圍巖松動，以達(dá)到施工隧道的最大安全度和最好經(jīng)濟(jì)效果。新奧法認(rèn)為認(rèn)為噴射混凝土最能緊貼圍巖，充分利用圍巖自身強(qiáng)度。噴層開裂并非壞事，而是表現(xiàn)出一定的讓壓性，必要時第一次支護(hù)加用錨桿或少量鋼拱支架根據(jù)實測資料及理輪分析，合理地選用和設(shè)計第二次支護(hù)的材料，結(jié)構(gòu)型弍及規(guī)格尺寸。2023/1/3117三、松軟巖層巷道施工實例㈠北皂煤礦軟巖巷道施工方法北皂煤礦位于山東龍口礦區(qū)黃縣煤田的西北部，含煤地層屬于下第三紀(jì)，煤系地區(qū)主要巖石有：炭質(zhì)泥巖、油頁巖、含油泥巖、砂質(zhì)頁巖及粘土巖等。巖石的強(qiáng)度都很低，普氏系數(shù)f=0.6～2.8。其中煤1頂板炭質(zhì)泥巖、煤2頂板含油泥巖及煤3底板粘土巖，均含有粘土質(zhì)礦物——蒙脫石，開巷后易風(fēng)化脫水，再遇水就產(chǎn)生膨脹。尤其是煤2頂板含油泥巖，蒙脫石含量較多，而且層厚較大，在其中開巷后，膨脹壓力也較為嚴(yán)重。至于煤1頂板炭質(zhì)泥巖和煤2底板粘土巖雖業(yè)含有蒙脫石，但因強(qiáng)度略大，厚度略小，放膨脹壓力顯現(xiàn)也較小。2023/1/3118錨噴網(wǎng)架聯(lián)合支架。2023/1/3119㈡舒蘭礦區(qū)松巖層巷道施工吉林舒蘭礦區(qū)為第三紀(jì)中新統(tǒng)含煤地層。構(gòu)成含煤地層的巖石均為松軟巖石，以未膠結(jié)的疏松含水砂巖為主，其次為半膠結(jié)的粉砂巖、半堅硬的砂頁巖以及粘土質(zhì)頁巖。其中半膠結(jié)和未膠結(jié)的砂巖，質(zhì)地疏松，開挖后易潰散；未膠結(jié)的粉砂巖遇水后呈片狀崩解；粘土質(zhì)頁巖具有塑性膨脹的特點。同時隨著開采深度的增加，地壓有明顯的增大。在遇水膨脹的圍巖中，底鼓現(xiàn)象也很嚴(yán)重，一般巷道底鼓速度為60～l00mm/月。采場動壓對相鄰巷道的影響也很嚴(yán)重，動壓波及范圍遠(yuǎn)大于一般礦井，片盤斜井一側(cè)的保護(hù)煤柱寬達(dá)60～70m，仍能受到采動壓力的影響。2023/1/3120⑴暗斜井井筒斷面選用曲墻、半圓拱加底拱，形成近似圓形斷面，如圖10-9所示。

2023/1/3121⑵“條帶碹”代替常用的料石碹。

2023/1/3122

㈢沈北前屯煤礦軟巖巷道施工

遼寧沈北前屯煤礦煤層頂板為厚80的黑灰色泥質(zhì)頁巖，底板為40～100m的粘土頁巖和亞粘土質(zhì)頁巖，含有蒙脫石和伊利石，風(fēng)干脫水后再遇到水的作用時，均產(chǎn)生膨脹和崩解現(xiàn)象，當(dāng)含水率增大時，其力學(xué)強(qiáng)度降低，塑性增大，最后變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)。巷道開掘后，圍巖向巷道空間大量移動，如不采用封閉支架，巷道頂板一直不停的冒落，甚至波及地表，難以形成較穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。2023/1/3123采用木板砌縫的花崗巖料石碹，以柔剛結(jié)合的支架結(jié)構(gòu)形式來適應(yīng)較大的變形地壓；采用風(fēng)鎬法掘進(jìn)，防止圍巖受到震動而失穩(wěn)；及時排除巷道中的積水，減少巖石遇水膨脹的程度，合理選擇巷道位置，減少支承壓力的影響。2023/1/3124

㈣金川二礦區(qū)松散圍巖巷道施工甘肅金川礦區(qū)為震旦系古老結(jié)晶變質(zhì)巖系，歷次造造運(yùn)動給本區(qū)留下了以斷裂為主的構(gòu)造形跡，大小斷層裂隙縱橫交錯，整體性差，地應(yīng)力大，開掘后呈現(xiàn)嚴(yán)重松散和內(nèi)向擠壓，圍巖變形量大，具有明顯的流變性，給巷道維護(hù)帶來極大的困難，嚴(yán)重地影響礦區(qū)建設(shè)速度。

巷道支護(hù)由初始支護(hù)和二次支護(hù)組成。初始支護(hù)采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土和錨桿，

初始支護(hù)后，巷道變形仍處于等速發(fā)展時，應(yīng)考慮用錨桿補(bǔ)補(bǔ)墻，調(diào)整初始支護(hù)參數(shù)。當(dāng)變形速度處于明顯減小或月收斂量為幾毫米時，再進(jìn)行二次支護(hù)比較合適。在金川的地質(zhì)條件下，二次支護(hù)的時間大約在120天以后。2023/1/31252023/1/3126第二節(jié)揭開煤與瓦斯突出煤層的施工方法

一、煤和瓦斯突出概述

煤和瓦斯突出是在煤礦井下采掘過程中發(fā)生的一種煤和瓦斯的突然運(yùn)動，它是一種極復(fù)雜的動力現(xiàn)象，即在極短的時間內(nèi)，由煤體向巷道中突然噴出大量的煤和瓦斯。

分析大量的實驗資料可以得出，煤和瓦斯突出的原因主要是由地壓構(gòu)造應(yīng)力和礦山壓力，瓦斯含量及瓦斯壓力、巖石及煤的物理機(jī)械性質(zhì)這三方面因素作用的結(jié)果。

我國煤和瓦斯突出煤層具有下列特征：煤和瓦斯突出往往發(fā)生在地質(zhì)變化比較劇烈、地應(yīng)力較大的地區(qū)，例如褶曲向、背斜的軸部和斷層破碎帶；煤質(zhì)松軟，干燥且瓦斯含量多、壓力高就容易突出：開采深度愈大，煤層愈厚，傾角愈大，突出的次數(shù)就愈多，強(qiáng)度愈大，煤體受到外力震動，沖擊時，也容易發(fā)生突出。2023/1/3127二、石門揭開突出煤層的施工方法預(yù)防煤和瓦斯突出的措施可分兩大類，即區(qū)域性預(yù)防措施和局部性預(yù)防措施。區(qū)域性預(yù)防措施主要是開采解放層。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：石門的位置應(yīng)盡量避免選擇在地質(zhì)變化區(qū)，掘進(jìn)工作面距煤層10m以外時，至少打兩個穿透煤層全厚的鉆孔以便確切掌握煤層賦存條件和瓦斯情況，掘進(jìn)工作面距煤層5m以外，應(yīng)測定煤層的瓦斯壓力；掘進(jìn)工作面距煤層之間必須保持一定的巖柱，急傾斜煤層為2m，緩傾斜及傾斜煤層為1.5m。這一規(guī)定，不論我們采用哪種方法，都應(yīng)該切實遵守。2023/1/3128

㈠震動放炮震動放炮的實質(zhì)就是在掘進(jìn)工作面上多打眼、多裝藥，全斷面一次爆破，揭開煤層，并且利用放炮所產(chǎn)生的強(qiáng)裂震動，在人員撤離到安全地點的條件下，來誘導(dǎo)煤和瓦斯突出，以保證作業(yè)的安全。

為了給炸開巖柱揭開煤層創(chuàng)造條件，在石門接近安全巖柱以后，盡量把工作面刷成和煤層傾角相近的斜面或臺階，如圖10-12所示。

2023/1/3129石門揭煤震動放炮的炮眼布置方法一般是；

1．炮眼個數(shù)較一般爆破的炮眼數(shù)約多2倍。

2．煤眼和巖眼要交錯相間排列，順序爆破。

3．總炮跟中煤眼和巖眼的比例大致為l：2。

4．炮眼的密度，巷道頂部小于底部，周邊眼大于中部。

5．透煤炮眼深度應(yīng)超過巖柱，如煤層相當(dāng)厚,可進(jìn)入煤層2～3m。

6．石門周邊眼應(yīng)適當(dāng)密一些，以保證爆破后石門周邊輪廓整齊，避免在修整石門周邊時發(fā)生突出。

7．巖眼眼底應(yīng)距煤層100～200mm，不應(yīng)透煤，如已透煤，則應(yīng)停止鉆進(jìn)，并在眼底填塞100～200mm長的炮泥。

2023/1/3130圖10-13為急傾斜巖層中一次穿透巖柱及煤層的炮眼布置圖示例。

震動放炮的炮眼數(shù)目，可根據(jù)經(jīng)驗確定，也可按北票礦務(wù)局總結(jié)的經(jīng)驗公式進(jìn)行估算：

0.2m0.2m0.2m0.2m2023/1/3131采用震動放炮應(yīng)注意的幾個問題：

1．震動放炮必須所有炮眼一次起爆，炸開石門的全斷面巖柱和煤層的全厚。

2．當(dāng)發(fā)現(xiàn)工作面的巖層特別破碎，有突出預(yù)兆，應(yīng)立即停止作業(yè)，人員撤離至安全地區(qū)。

3．當(dāng)煤層的厚度在lm以下時，必須全部隨巖柱一次崩開；當(dāng)煤層水平厚度在lm以上時，應(yīng)至少有有l(wèi)m的煤層隨巖柱揭出。4．在緩斜，傾斜煤層中沿底板或頂板揭煤時，可能巖柱一次沒有全部揭開，留有“門坎”或“門簾”，時，要特別小心，2023/1/3132

5．每次震動放炮都應(yīng)對作詳細(xì)記錄，以便總結(jié)經(jīng)驗和分析。

6．震動放炮只準(zhǔn)使用帶食鹽被筒的煤礦安全炸藥，雷管事先要嚴(yán)格檢查和分組。

7．《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：石門揭開突出危險的煤層時，掘進(jìn)工作面必須有獨立的回風(fēng)系統(tǒng)，8．為了限制突出規(guī)模，人為地降低突出強(qiáng)度，可在距工作面4～5m的地方構(gòu)筑木垛或金屬柵欄。9．人員撤離范圍，應(yīng)根據(jù)突出的危險程度和通風(fēng)系統(tǒng)給以規(guī)定。

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㈡金屬骨架金屬骨架是用于石門揭穿煤層的一種超前支架，其施工方法如圖10-14所示。當(dāng)石門掘進(jìn)距離煤層2m時，停止掘進(jìn)，在其頂部和兩幫上打一排或兩排直徑為70～l00mm、彼此相距200～300mm的鉆孔。鉆孔鉆透煤層并穿入頂板巖層300～500㎜，孔內(nèi)插入直徑為50～70mm的鋼管或鋼軌。鋼管或鋼軌的尾部固定在用錨桿支撐的鋼軌環(huán)上，也可固定在其它專門支架上，然后一次揭開煤層。

用金屬骨架時，一般配合震動放炮，一次揭開煤層。金屬骨架應(yīng)用于地壓和瓦斯壓力不太大的急傾斜薄煤厚和中厚煤層，其效果是比較好的；在傾斜厚煤層中，因骨架長度過大，易于撓曲，不能有效地阻止煤體的位移，所以預(yù)防突出能力較差。2023/1/31342023/1/3135

㈢鉆孔排放鉆孔排放就是石門工作面掘到距煤層適當(dāng)距離停止掘進(jìn)，向煤層打適當(dāng)數(shù)量的排放瓦斯鉆孔，在一定范圍內(nèi)形成卸壓帶，降低煤體中的瓦斯壓力，緩和煤體應(yīng)力，以防止煤和瓦斯突出。這一方法適用于煤層松軟透氣性較大的中厚煤層。

排放鉆孔數(shù)目可按下式計算：

式中N——石門全斷面排放瓦斯鉆孔的總數(shù)，個；

K——系數(shù)，一般取1.2；

S1——應(yīng)排放瓦斯的面積m２（石門周圍1.5m范圍內(nèi)）；

S2——一個鉆孔可排放瓦斯面積，m2。2023/1/3136圖10-15天府煤礦排放瓦斯鉆孔布置圖0號孔——測壓孔；1～２５號孔——排放瓦斯孔2023/1/3137

㈣水力沖孔水力沖孔是在石門巖柱未揭開之前，利用巖柱作安全屏障，向突出煤層打鉆，并利用射入的高壓水，誘導(dǎo)煤和瓦斯從排煤管中進(jìn)行小突出，這樣在煤體內(nèi)部就引起強(qiáng)烈地移動，在孔洞周圍形成卸壓帶，解除了煤體壓力緊張狀態(tài)，從而消除了煤和瓦斯突出的危險。這種方法用于揭開具有自噴現(xiàn)象的軟煤層，比較安全可靠。水力沖孔工藝流程見圖10-16所示。

2023/1/31382023/1/3139三、沿突出煤層掘進(jìn)平巷的技術(shù)措施㈠震動放炮和松動爆破對于煤質(zhì)較堅硬、透氣性較差、頂板良好的煤層，其突出的原因主要是地壓的作用，掘進(jìn)時，可以采用震動放炮措施。震動放炮炮眼深度一般為2.5～3.0m，炮眼裝藥量控制在每米炮眼不超過0.5kg，為了提高爆破效果，應(yīng)采用延期總時間不超過130ms的毫秒雷管起爆。震動放炮在急傾斜薄煤層和緩傾斜中厚煤層的炮眼布置見圖10-17所示。2023/1/31402023/1/3141

煤層松動爆破的做法是在震動放炮的基礎(chǔ)上，在煤體深部的應(yīng)力集中帶內(nèi)，布置幾個長炮眼進(jìn)行爆破，其目的在于利用炸藥爆炸能量破壞煤體前方的應(yīng)力集中帶，以便在工作面前方造成較長的卸壓帶，以預(yù)防突出的發(fā)生。此外深孔炸藥的爆破還可以在炮眼周圍形成破碎圈和松動圈，如圖10-18所示，這有利于緩和煤體應(yīng)力和排放瓦斯，對防止突出也是有利的。煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采用松動爆破時，超前于掘進(jìn)工作面的距離不得小于5m。2023/1/3142

㈡超前支架超前支架多用于有突出危險的急傾斜煤層和緩傾斜厚煤層的煤巷掘進(jìn)。在工作面前方巷道頂部事先打上一排超前支架，如圖10-19所示。在掘進(jìn)道程中使支架的最小超前距離保持1.0～1.5m，掘進(jìn)工作始終在超前支架保護(hù)下進(jìn)行，從而避免了因巷道頂部煤體的垮落而引起突出。2023/1/3143

㈢大直徑超前鉆孔在工作面前方始終保持一定數(shù)量和一足深度的大直徑超前鉆孔，能夠引起煤體應(yīng)力重新分布，使巷道應(yīng)力集中帶移至煤體深部，在鉆孔周圍造成卸壓帶，同時，又能排放鉆孔周圍煤體內(nèi)的瓦斯，降低瓦斯壓力，可以消除突出的危險。大直徑超前鉆孔孔徑一般是120～300mm，孔數(shù)一般為3～5個，孔深10～15m，